[Wron NIEmiecki]

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:

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.

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