درجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج للمواد الشائعة

ما هي درجة الحرارة الحرجة

التعريف والأهمية

درجة الحرارة الحرجة مفهوم أساسي في الكيمياء والديناميكا الحرارية. وهي تشير إلى أعلى درجة حرارة يمكن أن توجد عندها المادة في صورة سائل، بغض النظر عن الضغط المُطبَّق. بعد درجة الحرارة هذه، تتغلب الطاقة الحركية للجزيئات على القوى بين الجزيئات، مما يمنع المادة من التكثيف في المرحلة السائلة. ويُعد فهم درجة الحرارة الحرجة أمرًا ضروريًا لمختلف التطبيقات الصناعية، بما في ذلك تصميم معدات المعالجة الكيميائية ودراسة التحولات الطورية في علم المواد.

درجة الحرارة الحرجة مقابل درجة الغليان

على الرغم من أن كلاً من درجة الحرارة الحرجة ودرجة الغليان تنطوي على تغيرات طورية، إلا أنهما مفهومان مختلفان. فدرجة غليان المادة هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخارها مع الضغط الخارجي، مما يسمح لها بالانتقال من سائل إلى غاز. وعلى النقيض من ذلك، فإن درجة الحرارة الحرجة هي العتبة التي لا يمكن أن توجد بعدها المرحلة السائلة مهما زاد الضغط. وهذا يعني أنه فوق درجة الحرارة الحرجة، لا يمكن تسييل المادة بالضغط وحده ولا يمكن أن توجد إلا كمائع فوق الحرج.

العوامل المؤثرة في درجة الحرارة الحرجة

الحجم الجزيئي والتفاعلات

تتأثر درجة الحرارة الحرجة للمادة بحجم جزيئاتها وقوة التفاعلات بين الجزيئية. فالجزيئات الأكبر حجمًا ذات القوى الأقوى بين الجزيئات، مثل الترابط الهيدروجيني أو تفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب، عادةً ما تكون درجة حرارتها الحرجة أعلى. وتتطلب هذه القوى الأقوى طاقة أكبر (درجة حرارة أعلى) للتغلب عليها، وبالتالي زيادة درجة الحرارة الحرجة.

تأثير الضغط

يؤدّي الضغط دورًا مهمًا في تحديد درجة الحرارة الحرجة، فعند ارتفاع الضغط، تُجبر الجزيئات على التقارب بين الجزيئات مما يعزز التفاعلات بين الجزيئات ويزيد من درجة الحرارة الحرجة. ومع ذلك، يتم تعريف درجة الحرارة الحرجة نفسها بشكل مستقل عن الضغط، حيث تمثل درجة الحرارة القصوى التي يمكن أن توجد عندها المادة كسائل تحت أي ضغط.

درجات الحرارة الحرجة والضغوط الحرجة للمواد الشائعة

يوضِّح الجدول التالي درجات الحرارة والضغط الحرجة لمختلف المواد الشائعة، مع توضيح التنوع في خواصها الحرارية والضغط.

الأسئلة المتداولة

ماذا يحدث للمادة فوق درجة حرارتها الحرجة؟

لا يمكن تسييل المادة فوق درجة حرارتها الحرجة بالضغط وحده، وتوجد كمائع فوق الحرج، حيث تظهر خواص السوائل والغازات على حد سواء.

كيف تُقاس درجة الحرارة الحرجة؟

يتم تحديد درجة الحرارة الحرجة تجريبيًا عن طريق زيادة درجة حرارة المادة تدريجيًا تحت ضغط مضبوط حتى يتعذر التمييز بين مرحلتي السائل والغاز.

ما أهمية درجة الحرارة الحرجة في التطبيقات الصناعية؟

تُعد درجة الحرارة الحرجة حاسمة لتصميم المعدات والعمليات التي تنطوي على انتقالات طورية، مثل استخلاص السوائل فوق الحرجة وتشغيل المفاعلات عالية الضغط.

هل يمكن تغيير درجة الحرارة الحرجة عن طريق تغيير التركيب الجزيئي؟

نعم، يمكن أن يؤثر تعديل التركيب الجزيئي، مثل تغيير المجموعات الوظيفية أو طول السلسلة، على قوة القوى بين الجزيئات وبالتالي تغيير درجة الحرارة الحرجة.

هل هناك علاقة بين درجة الحرارة الحرجة والكثافة الحرجة؟

نعم، الكثافة الحرجة هي كثافة المادة عند درجة الحرارة والضغط الحرجين، وهي توفر نظرة ثاقبة لسلوك المائع بالقرب من النقطة الحرجة.