Ocena wątku:
  • 0 głosów - średnia: 0
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
Plyn - czwarty stan skupienia materii
#1
Bedac w szkole uczymy sie, ze istnieja trzy podstawowe stany skupienia materii, ktore spotykamy na codzien. Dla wody: lod, ciekla woda oraz para wodna. Czasem na fizyce uslyszymy o plazmie, ale nie, tym razem nie bedzie to o plazmie, choc sie mowi, ze to (nieslusznie) czwarty stan skupienia materii.
Popatrzmy na diagram fazowy wody:
[Obrazek: 300px-WaterPhaseDiagram.svg.png]
Trzy linie reprezentujace rownowagi fazowe (pomijam tutaj linie zielona) spotykaja sie w punkcie potrojnym. Dla wody jest to T=0,01°C oraz 611,73Pa - zaznaczony punktem zoltym. Na lewo od niego odchodzi czarna krzywa sublimacji, na gore krzywa topnienia - negatywne nachylenie dP/dT dla wody (ciekawe dlaczego?) oraz krzywa wrzenia, ktora konczy sie w punkcie krytycznym zaznaczonym na czerwono przy 374°C oraz 220 bar. W wyzszych temperaturach i cisnieniach nie istnieje woda w stanie cieklym i nie da sie jej sie w zaden sposob skroplic. Woda w takich warunkach jest w stanie nadkrytycznym, zas ni to gaz ni to ciecz okresla sie mianem plynu. I to jest czwarty stan skupienia materii. Woda w formie plynu wystepuje w stanie naturalnym, a znalezc mozna nia w otworach hydrotermalnych rowow tektonicznych na dnie oceanow - czyli tam, gdzie panuja temperatury ok 400°C i glebokosci ponizej 2200 m.

Historia odkrycia


Pierwszy raz dowiedziono istnienie stanu nadkrycznego dla CO2 poprzez ogrzewanie skroplonego gazu zatopionej rurze kwarcowej. Poniewaz gestosc cieczy maleje ze wzrostem temperatury, a gazu rosnie, to istnieje taka temperatura, w ktorej gestosci obu faz sie zrownuja. Dla CO2 to ok. 31°C.
[Obrazek: QfgrMj2cJJX6M322zX.jpg]
Jesli znana jest temperatura poczatkowa oraz napelnienie poczatkowe F0, to w zamknietym zbiorniku widac, ze:
[latex]m_f+m_g = m[/latex] oraz [latex]m_{of}+m_{og}=m_{f}+m_{g}[/latex] dla kazdego stanu napelnienia zbornika. korzystajac z definicji gestosci otrzymujemy:
[latex]\rho_fV_f+\rho_gV_g=\rho_{of}V_{of}+\rho_{og}V_{og}[/latex]. Po uwzglednieniu definicji stanu napelnienia [latex]F_f=\frac{V_f}{V}[/latex] uzyskujemy:
[latex]\rho_fVF_f+\rho_gV\left (1-F_f\right)=\rho_{of}VF_{of}+\rho{og}\left ( 1-F_{of} \right )V [/latex]
Ostatecznie:
[latex]F_f=\frac{\rho_{of}F_{of}+\rho_{og}\left (1-F_{of}\right)-\rho_g}{\rho_c-\rho_g}[/latex]
Poziom cieczy uzalezniony jest od gestosci cieczy i gazu w temperaturze koncowej i poczatkowej oraz od stanu poczatkowego napelnienia. Gestosci faz dla substancji czystych sa dostepne na stronach NIST. Podczas ogrzewania istnieja dwa efekty konkurujace: rozszezalnosc termiczna i parowanie cieczy. Jesli zwyciezy pierwszy, zbiornik moze ulec rozsadzeniu. Jesli drugi efekt zwyciezy, wtedy jak latwo ze wzoru dowiesc, ciecz zniknie w punkcie krytycznym.

Wlasnosci plynu na przykladzie wody

Na pierwszy rzut oka wlasnosci sa posrednie miedzy cieczami a gazami, choc i tutaj sa istotne roznice. Gestosci dla cieczy sa dosc ograniczone i na ogol mniejsze niz 1000 kg/m3, a dla gazow moga byc dowolne, jesli tylko temperatura bedzie wyzsza od krytycznej. Inne parametry istotne dla transportu ciepla i masy sa posrednie miedzy gazami a cieczami. Ciecze maja menisk - granice faz ciecz-para oraz okreslone napiecie powierzchniowe. Natomiast gazy i plyny nie maja napiecia powierzchniowego. Woda w stanie nadkrytycznym zmienia swe parametry fizyczne i staje sie rozpuszczalnikiem o charakterze organicznym - jest w stanie rozpuszczac weglowodory, ktore normalnie sa w niej nierozpuszczalne, choc z racji swego kwasowo-zasadowego charakteru rozpuszcza w sobie rowniez zwiazki nieorganiczne.

Niektore zastosowania plynow
dwutlenek wegla
- czynnik sluzacy do ekstrakcji koffeiny z kawy i innych produktow pochodzenia roslinnego i zwierzecego
- czynnik roboczy w suchym praniu ekologicznym
- czynnik do rekrystalizacji lekow
- medium reakcyjne w syntezach chemicznych
woda
- czynnik w ekstrakcji weglowodorow z wegla
- czynnik roboczy w elektrowniach (para sucha)
amoniak
- synteza azotku galu

Dla zainteresowanych tabela rownowagi ciecz-para dla wody:
http://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?Ac...Unit=N%2Fm
"Podwładny powinien przed obliczem przełożonego mieć wygląd lichy i durnowaty tak, by swoim pojmowaniem istoty sprawy nie peszyć przełożonego" - ukaz cara Rosji Piotra I z 9 grudnia 1708 roku
 "Cudów nie ma" - Józef Stalin
Odpowiedz
#2
Wron NIEmiecki napisał(a):Woda w takich warunkach jest w stanie nadkrytycznym, zas ni to gaz ni to ciecz okresla sie mianem plynu
Z jakiej normy została wzięta ta terminologia?
Jak dotąd spotykałem się z tego typu definicjami:

"Fluids are a subset of the phases of matter and include liquids, gases, plasmas and, to some extent, plastic solids."
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid

albo tego typu:

"Formal definition of a fluid - A fluid is a substance which deforms continuously under the application of a shear stress."
http://www.mne.psu.edu/cimbala/Learning/...hanics.htm


To, o czym piszesz, to raczej pewien szczególny stan płynu:
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid
"Słuszna decyzja podjęta z niesłusznych powodów może nie być słuszna."
(Weatherby Swann)

The first to plead is adjudged to be upright,
until the next comes and cross-examines him.

(Proverbs 18:17)
Odpowiedz
#3
Elbrus napisał(a):Z jakiej normy została wzięta ta terminologia?
W polskim nazewnictwie techniczno-naukowym plyn definiuje sie nastepujaco:
Cytat:Płyn – każda substancja, która może płynąć, tj. charakteryzuje się wielką łatwością zmieniania wzajemnego położenia poszczególnych elementów nawet dla niewielkich sił, w przeciwieństwie do ciał stałych, które przy niewielkich siłach wykazują proporcjonalność odkształcenia do naprężeń. W wyniku czego płyn może swobodnie przemieszczać się (przepływać)[1]. Pojęcia płynu nie należy utożsamiać tylko z cieczą, gdyż płynami są nie tylko ciecze, ale także wszystkie gazy, a nawet takie mieszaniny różnych faz fizycznych jak piana, emulsja, zawiesina i pasta.

http://pl.wikipedia.org/wiki/P%C5%82yn
Elbrus napisał(a):Jak dotąd spotykałem się z tego typu definicjami:

"Fluids are a subset of the phases of matter and include liquids, gases, plasmas and, to some extent, plastic solids."
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid

albo tego typu:

"Formal definition of a fluid - A fluid is a substance which deforms continuously under the application of a shear stress."
http://www.mne.psu.edu/cimbala/Learning/...hanics.htm

Po niemiecku to beda: überkritische Fluide Oczko
To kolejny przyklad na to, ze obcego nazewnictwa nie nalezy bezkrytycznie przyjmowac, skoro odpowiednie definicje istnieja od dawien dawna w jezyku polskim. Dzial fizyki zajmujacy sie badaniem plynow to mechanika plynow, chociaz w literaturze anglojezycznej termin ten okreslany jest jako fluid mechanics.

Elbrus napisał(a):To, o czym piszesz, to raczej pewien szczególny stan płynu:
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid

Zgadza sie, chodziaz gazy i ciecze tez nimi sa. Uzywanie slowa fluid moze byc mylace dla inzynierow. Bo fluid w ich pojeciu oznacza zawiesine stalych czastek w strumieniu gazow. I tak w inzynierii chemicznej stosuje sie zloza fluidalne, ktore ze stanem nadkrytycznym nie maja wiele wspolnego.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Fluidyzator
"Podwładny powinien przed obliczem przełożonego mieć wygląd lichy i durnowaty tak, by swoim pojmowaniem istoty sprawy nie peszyć przełożonego" - ukaz cara Rosji Piotra I z 9 grudnia 1708 roku
 "Cudów nie ma" - Józef Stalin
Odpowiedz
#4
Nie zgodzę się.
Zgodnie z klasycznym podziałem mechaniki płynów płyny to (z def.) gazy i ciecze*, a nie coś nieokreślonego, będącego czwartym stanem skupienia.
Punkt nadkrytyczny jest trochę analogiczny do punktu potrójnego. Woda jest w superpozycji faz i tyle.
Czasem punkt potrójny i nadkrytyczny nazywa się punktami bifurkacyjnymi diagramu fazowego, dlatego, że w tych punktach zachowanie tego... płynu (nie będącego żadnym czwartym stanem skupienia) jest determinowane przez przebieg krzywej na diagramie, którą płyn zmierzał do tego punktu. Prościej rzecz ujmując, przyszłość zachowania (po bardzo niewielkiej, praktycznie niezauważalnej zmianie warunków, która może wynikać z niestabilności układu) tego płynu zależy od jego przeszłości. Przy czym przewidywanie zachowania na podstawie tych przebiegów nie jest jednoznaczne i wynika jedynie z eksperymentów, a nie jakiejś solidnej teorii.

Trochę więcej do poczytania na ten temat: "Masa krytyczna" P. Ball


*mówiąc skrótowo, bo sama definicja jest bardziej zawoalowana, ale de facto o gazy i cieczy w niej chodzi
Odpowiedz
#5
exodim napisał(a):Nie zgodzę się.
Zgodnie z klasycznym podziałem mechaniki płynów płyny to (z def.) gazy i ciecze*, a nie coś nieokreślonego, będącego czwartym stanem skupienia.

[Obrazek: 350px-Pressure-temperature_phase_diagram...mpfung.png]

exodim napisał(a):Punkt nadkrytyczny jest trochę analogiczny do punktu potrójnego. Woda jest w superpozycji faz i tyle. Czasem punkt potrójny i nadkrytyczny nazywa się punktami bifurkacyjnymi diagramu fazowego, dlatego, że w tych punktach zachowanie tego... płynu (nie będącego żadnym czwartym stanem skupienia) jest determinowane przez przebieg krzywej na diagramie, którą płyn zmierzał do tego punktu. Prościej rzecz ujmując, przyszłość zachowania (po bardzo niewielkiej, praktycznie niezauważalnej zmianie warunków, która może wynikać z niestabilności układu) tego płynu zależy od jego przeszłości. Przy czym przewidywanie zachowania na podstawie tych przebiegów nie jest jednoznaczne i wynika jedynie z eksperymentów, a nie jakiejś solidnej teorii.

Punkt krytyczny jest wysoce niestabilny, to fakt. Kiedys podczas wizyty w KIT widzialem instalacje do wyznaczania punktow krytycznych substancji czystych oraz ich mieszanin. Sa to urzadzenia posiadajace az trzy systemy termostatow, a regulacje temperatur daje sie osiagnac z precyzja 0,001 K. Takie warunki sa konieczne, aby moc zaobserwowac krytyczna opalescencje.
[Obrazek: 400px-CriticalPointMeasurementEthane.jpg]
Formalnie obszar nadkrytyczny zaczyna sie dla 1<Tr<2 i 1<Pr<1,5, gdzie Tr=T/Tc, Pr=P/Pc. Wlasnosci plynow w tych warunkach pod wieloma wzgledami podobne sa do gazow - brak meniska, brak napiecia powierzniowego, dowolna gestosc. W takich warunkach mozna je uzywac w procesach suszenia - a wiec tak samo jak z gazami. Ale...
Ale w tych samych warunkach mozna je uzywac w procesach zarezerwowanych dla cieczy: w ekstrakcji czy w rozpuszczaniu cial stalych, bowiem wspolczynniki dyfuzji, lepkosc sa podobne jak dla cieczy. Wiec ani to gaz ani ciecz.
Co do teorii. Rownania stanu dla gazow rzeczywistych daja dobra mozliwosc prognozowania wlasnosci plynow nadkrytycznych. Jednak prawdziwe schody zaczynaja sie, gdy badamy substancje polarne jak woda czy amoniak. Tutaj pozostaja tylko eksperymenty.

exodim napisał(a):Trochę więcej do poczytania na ten temat: "Masa krytyczna" P. Ball
*mówiąc skrótowo, bo sama definicja jest bardziej zawoalowana, ale de facto o gazy i cieczy w niej chodzi

Jak rowniez: "Gazy, ciecze i plyny" W. Ufnalski. Prosze rozwinac te mysl, z checia ja poznam.
"Podwładny powinien przed obliczem przełożonego mieć wygląd lichy i durnowaty tak, by swoim pojmowaniem istoty sprawy nie peszyć przełożonego" - ukaz cara Rosji Piotra I z 9 grudnia 1708 roku
 "Cudów nie ma" - Józef Stalin
Odpowiedz


Skocz do:


Użytkownicy przeglądający ten wątek: 1 gości