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 (Ткр, Ркр). 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.
Вещество | Формула | Tкр °C | Pкр МПа |
---|---|---|---|
Диоксид углерода | СО2 | 31 | 7,4 |
Окись азота | N2O | 36,4 | 7,3 |
Метан | CH4 | -82,3 | 4,7 |
Этан | C2H6 | 32,3 | 4,9 |
Пропан | C3H8 | 96,8 | 4,3 |
Аммиак | NH3 | 132,3 | 11,3 |
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: Tкр = 374,2°С и Pкр = 21,4 МПа.
Подробнее о свойствах сверхкритических флюидов смотрите в статье «Сверхкритические свойства».