نقطة حرجة (ديناميكا حرارية)

النقطة الحرجة حسب المفهوم العلمي في الكيمياء الفيزيائية والتحريك الحراري وفيزياء المواد المكثفة هي النقطة من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يوجد فيها فواصل واضحة بين حالات المادة، (مثل فواصل بين الحالة السائلة، والحالة الصلبة، أو الحالة الغازية).

فعلى سبيل المثال تُعرف درجة الحرارة الحرجة بأنها درجة الحرارة التي التي فوقها لا يمكن التمييز بين الحالة الغازية والسائلة لمادة ما، مثل الماء والكحول وثاني أكسيد الكربون.

درجة الحرارة الحرجة التي فوقها لا يمكن أن توجد الحالة السائلة للمادة مهما كان الضغط المطبق عليها، وتكون المادة في حالة بين الحالة السائلة والحالة الغازية، بدون سطح فاصل بينهما.

مخطط الطور (منحنى حالات المادة)

يبين الشكل رسما بيانيا الثلات حالات للماء : الحالة السائلة، والحالة الغازية (بخار)، والحالة الصلبة (ثلج). ويبين المخطط تحول تلك الحالات من واحدة إلى أخرى تحت تأثير درجة الحرارة (المحور السيني) والضغط (المحور الرأسي)، وذلك باعتبار أن الحجم ثابت لا يتغير.

يمثل الخط الأزرق غليان الماء وتحوله إلى بخار، حيث تكون الحالتان موجودتان كالمعتاد ومنفصلتان. بارتفاع الضغط ترتفع درجة حرارة الغليان وبالعكس عندما ينخفض الضغط تنخفض تبعا درجة حرارة الغليان. وطالما نتحرك على الخط الأزرق يكون لدينا حالتين (ماء وبخار) في توازن، أي ماء يغلى وفوقه بخار ساخن. ويمكننا الاستمرار في رفع الضغط ودرجة الحرارة حتي نصل إلى النقطة الحرجة(critical point). وعندها نصل إلى حالة لا يكون فيها الماء سائلا ولا بخارا، بل هي حالة تجمع بين الاثنين في مخلوط مشبع عالي الضغط والحرارة. وتبلغ النقطة الحرجة للماء عند درجة حرارة 647 كلفن أو 374 درجة مئوية. ويصل الضغط عند تلك النقطة إلى 218 ضغط جوي.في الرسم الخط الأخضر الصلب (غير المنقط)لا يمثل حالة الماءوقد يمثل مواد أخرى غير الماء.ولكن الخط الأخضر المنقط يمثل حالات الأتزان بين صنف الماء وصنف الثلج عند درجات حراره وضغوط مختلفة

تعمل محطات القوي لاستغلال الماء وبخاره في تلك الحالة لتوليد الطاقة الكهربائية بوساطة التوربينات. وكما نعرف من دورة كارنو ترتفع كفاءة الإنتاج بارتفاع درجة حرارة البخار. لذلك تبذل محطات التوليد مجهودات لتسخين تلك الحالة المائية البخارية لدرجات أعلى من درجة النقطة الحرجة 374 درجة مئوية، لكي ترفع كفاءة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

تطبيقات

تتميز السوائل فوق الدرجة الحرجة بقدرة عالية على الإذابة ودرجة لزوجة منخفضة. كما تتبخر تلك السوائل في تلك الحالة لحظيا. ولذلك يمكن استخدامها كمذيبات تحت الضغط العالي. وتستغل تلك الحالة للسوائل لإنتاج المسحوقات ذات الحبيبات الدقيقة جدا.

يُستغل ثاني أكسيد الكربون - وله درجة حرجة - لاستخلاص الكوفيين من القهوة والشاي، تلك الأنواع التي تباع في الاسواق لبعض مريديها من الجمهور.

ويمكن إذابة أكسيد السيليكون SiO2 في الماء فوق الدرجة الحرجة، ثم تُـجرى عملية لبلورته واستخلاص بلورات نقية للسيليكون أحادية التبلر Quarz تُستعمل بعد تقطيعها في صناعة الساعات.

كما يستخدم الماء فوق الدرجة الحرجة كمذيب في الصناعات الكيماوية وخاصة في صناعة الأدوية لاستخلاص بعض المواد الطبية من الدهون أو اللحوم التي يصعب استخلاصها بالطرق المعتادة.

المراجع

التصانيف