Что такое флюиды и что их делает сверхкритическими?

«Флюид» переводится с латыни (fluidis) как «текучий». В настоящее время этот термин используется в физике для обозначения вещества, поведение которого при деформации может быть описано законами механики жидкостей (wikipedia).

При изменении температуры или давления происходят взаимные переходы: твердое тело — жидкость — газ. Например, при нагревании твердое тело переходит в жидкое, при повышении температуры или при понижении давления жидкость превращается в газ. Все эти переходы, как правило, обратимы. На примере диоксида углерода они представлены на рисунке слева (Фазовая диаграмма диоксида углерода). Расположение линий, разграничивающих области газообразного, жидкого и твердого состояния, а также положение тройной точки, где сходятся эти три области, для каждого вещества свои. Сверхкритическая область начинается в критической точке (обозначена красной точкой), которая характеризуется непременно двумя параметрами — температурой и давлением (Т_кр, Р_кр). Понижение либо температуры, либо давления ниже критического выводит вещество из сверхкритического состояния. В сверхкритическом состоянии способны находиться большое количество веществ, фактически переход в сверхкритическое состояние ограничен температурой разложения вещества.

Таким образом, сверхкритический флюид – это вещество в сверхкритическом состоянии при температуре и давлении выше критической точки. В современной литературе принято сокращенное обозначение сверхкритических флюидов — СКФ.

Факт существования критической точки позволил понять (ссылка на историческую справку), почему некоторые газы, например, водород, азот, кислород долгое время не удавалось получить в жидком виде с помощью повышенного давления, из-за чего их ранее называли перманентными газами (лат. permanentis — постоянный). Из приведенного выше рисунка видно, что область существования жидкой фазы расположена слева от линии критической температуры. Таким образом, для сжижения какого либо газа необходимо его вначале охладить до температуры ниже критической. У таких газов как CO₂ или Cl₂ критическая температура выше комнатной (31°С и 144°С соответственно), поэтому их можно сжижать при комнатной температуре, только повышая давление. У азота критическая температура много ниже комнатной: -149,9°С, поэтому, если сжимать азот, находящийся при нормальных условиях, то можно достичь в конечном итоге сверхкритической области, но жидкий азот при этом образоваться не может. Необходимо вначале охладить азот ниже критической температуры и затем, повышая давление, достичь области, где возможно существование жидкости. Аналогичная ситуация для водорода и кислорода (критические температуры соответственно -239,9°С и -118,4°С), но для их сжижения вначале повышают давление, а потом охлаждают до температуры ниже критической путем сброса давления. Вещества, для которых сверхкритическое состояние наиболее легко достижимо (т.е. нужны сравнительно невысокие температура и давление), приведены в таблице. В сравнении с указанными веществами критическая точка для воды достигается с большим трудом: T_кр = 374,2°С и P_кр = 21,4 МПа.

Подробнее о свойствах сверхкритических флюидов смотрите в статье «Сверхкритические свойства».