Переход веществ из одного агрегатного состояния в другое всегда привлекал внимание ученых. Одним из самых удивительных и важных этапов в изучении термодинамики стало предсказание и открытие критического состояния газов — уникальной точки, где стирается граница между жидкостью и газом. Это открытие перевернуло представления физиков о свойствах материи и дало старт новым исследованиям в области молекулярной физики.
Что такое критическое состояние газа?
Критическое состояние (или критическая точка) — это такое состояние вещества, при котором плотности его жидкой и газообразной фаз становятся одинаковыми, а граница раздела фаз (мениск) полностью исчезает. В этой точке поверхностное натяжение падает до нуля, и вещество представляет собой однородную систему, которую нельзя назвать ни типичным газом, ни типичной жидкостью.
Каждое вещество имеет свои критические параметры: критическую температуру, критическое давление и критический объем. При температурах выше критической газ невозможно перевести в жидкое состояние никаким повышением давления, сколь бы большим оно ни было.
Кто открыл критическую температуру газов?
История этого открытия тесно связана с именами двух выдающихся ученых XIX века: ирландского физика Томаса Андрюса и великого русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева.
Дмитрий Менделеев: гениальное предсказание
Принято считать, что существование критической температуры жидкостей (и газов) было теоретически предсказано Дмитрием Менделеевым. В 1860 году, анализируя данные о зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры, Менделеев обратил внимание на то, что с нагреванием поверхностное натяжение неуклонно падает. Он сделал смелый вывод, что должна существовать некая «абсолютная температура кипения», при которой поверхностное натяжение становится равным нулю, а жидкость полностью теряет свои капельные свойства.
Менделеев работал в этой области и предвосхитил представление ирландского ученого Томаса Андрюса о критической температуре газов, определяя эту границу как предел существования жидкой фазы.
Томас Андрюс: экспериментальное подтверждение
Несмотря на теоретическое предвидение Менделеева, честь экспериментального открытия критического состояния газов принадлежит Томасу Андрюсу. В 1869 году, проводя опыты над углекислотой, Андрюс детально исследовал изотермы газа и обнаружил, что при температуре 31,1 °C углекислота становится неотличимой от жидкости, образуя однородную субстанцию; Именно Андрюс ввел в научный оборот сам термин «критическая точка» и доказал, что выше этой температуры газ не поддается сжижению.
Уравнение Ван-дер-Ваальса и критическое состояние
Следующий важнейший шаг в понимании критического состояния был сделан голландским физиком Ян Дидериком ван-дер-Ваальсом. В 1873 году ученый вывел уравнение состояния реального газа, учитывающее как собственный объем молекул, так и взаимодействие между ними (уравнение Ван-дер-Ваальса).
Это уравнение стало настоящим прорывом, так как оно не только описывало поведение реальных газов, но и теоретически обосновывало существование критической точки. Ван-дер-Ваальс показал математическую связь между критическими параметрами и постоянными его уравнения, доказав, что критическое состояние, это закономерный итог межмолекулярных сил притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие науки: от простых газов до плазмы
Со времени открытий Менделеева, Андрюса и Ван-дер-Ваальса наука шагнула далеко вперед. Изучение критических состояний вышло за рамки простых газов и жидкостей:
- Фундаментальные исследования в области критических явлений были выполнены пятьдесят пять лет тому назад Александром Владимировичем Воронелем (СССР) и Йоханнесом Винсентом Сенгерсом (Нидерланды). Они открыли явление критической опалесценции и исследовали аномальное поведение теплоемкости вблизи критической точки.
- В 2002 году ученый Леонид Бутов предположил, что охлажденные почти до абсолютного нуля экситоны (квазичастицы в полупроводниках) также могут образовывать конденсированное состояние с критической точкой.
- С помощью расчетов из первых принципов (ab initio) современные ученые определили параметры критической точки цикония — состояния, где исчезает граница между жидкой и газовой фазой этого металла при экстремальных температурах и давлениях.
Значение открытия для современности
Открытие и предсказание критического состояния газов имело колоссальное практическое значение. До работ Менделеева и Андрюса многие ученые безуспешно пытались сжижировать такие газы, как водород, азот и кислород, просто сжимая их при комнатной температуре. Понимание того, что существует критическая температура, привело к созданию холодильных машин и каскадного охлаждения; Именно благодаря этому в конце XIX века человечество смогло получить жидкий кислород, азот и водород, что дало старт развитию криогеники, металлургии и космической промышленности.
Предсказание критического состояния газов, это яркий пример того, как теоретическая догадка одного ученого (Д.И. Менделеева) находит блестящее экспериментальное подтверждение в трудах другого (Т. Андрюса), а затем получает строгую математическую основу в работах Ван-дер-Ваальса. Это открытие навсегда изменило физику фазовых переходов и продолжает вдохновлять исследователей на изучение материи в экстремальных условиях.