Punto critico
Che cos'è il punto critico?
Se si riscalda una opportuna quantità di sostanza in un capillare saldato di quarzo ed a pareti assai spesse (tubo di Natterer), giunti ad una determinata temperatura scompare la separazione fra liquido e vapore e all'interno del capillare si ha un'unica fase detta fase critica.
Il punto critico di una sostanza corrisponde pertanto ad una particolare coppia di valori di temperatura e di pressione al di sopra della quale la sostanza non può più esistere come miscela bifase vapore-liquido ma esiste come fluido supercritico; la pressione corrispondente alla fase critica si chiama pressione critica, mentre la temperatura corrispondente alla fase critica prende il nome di temperatura critica. Pressione critica e temperatura critica di alcune sostanze sono riportate nella tabella proposta in fondo alla lezione.
Per cercare di capire il concetto di punto critico, consideriamo due sostanze: l'acqua e l'anidride carbonica.
Punto critico dell'acqua
Dal diagramma di stato dell'acqua è facile individuare il punto critico dell'acqua.
La linea OB rappresenta la variazione della pressione di vapore dell'acqua con la temperatura; tale tratto di curva definisce i valori di T e di P ai quali esiste un equilibrio del sistema liquido-vapore.
Si nota che tale tratto di curva non si estende indefinitamente ma si interrompe alla temperatura di 374,1°C e alla pressione di 218,3 atm (punto critico dell'acqua).
Ciò esprime ed evidenzia il fatto che al di sopra di tale temperatura e di tale pressione la fase liquida e la fase vapore dell'acqua diventano indistinguibili.
Diagramma di stato dell'acqua: la pressione critica può considerarsi come il valore limite della pressione di vapor saturo di un liquido.
Punto critico dell'anidride carbonica
Nella figura seguente è riportato il diagramma di stato dell'anidride carbonica:
Diagramma di stato dell'anidride carbonica: la temperatura critica della CO2 è a 31°C mentre la sua pressione critica è a 73°C.
Anche in questo caso la linea di separazione tra la fase liquida e la fase gassosa non si estende indefinitamente ma si interrompe alla temperatura di 31°C e alla pressione di 73,0 atm (punto critico dell'anidride carbonica).
Ciò esprime ed evidenzia il fatto che al di sopra di tale temperatura e di tale pressione la fase liquida e la fase vapore dell'anidride carbonica diventano indistinguibili.
Punti critici di alcune sostanza
Nella seguente tabella sono riportati i punti critici di alcune sostanze.
Dati critici relativi ad alcune comuni specie chimiche. Per ogni specie chimica sono riportati la temperatura critica (in°C e in K), la pressione critica (in atm e in MPa) e la densità critica (in g/cm3).
Temperatura critica, pressione critica e densità critica d (cioè densità della fase critica) determinano il punto critico. Tali dati prendono il nome di dati critici.
Temperatura critica e differenza tra gas e vapore
Dalla nozione di temperatura critica derivano le definizioni di gas e di vapore: dal punto di vista dello stato o di aggregazione non esiste nessuna differenza fra, ad esempio, azoto e vapore acqueo: però il primo viene indicato come gas, il secondo come vapore.
Ma qual è la differenza tra gas e vapore? E in tutto questo, cosa c'entra il punto critico?
Si definisce gas una specie chimica gassosa che si trova ad una temperatura superiore a quella critica, e vapore una specie chimica gassosa che si trova ad una temperatura inferiore a quella critica. Ciò equivale a dire: il gas non è liquefacibile per compressione; il vapore è liquefacibile per compressione.
Una stessa specie chimica può comportarsi quindi da gas o da vapore a seconda che si trovi ad una temperatura superiore o inferiore alla sua temperatura critica.
In pratica è d'uso attribuire il nome di gas a quelle specie aeriformi la cui temperatura critica è nettamente al disotto della temperatura ambiente media, e quello di vapore a quelle specie aeriformi la cui temperatura critica è nettamente al disopra della predetta temperatura ambiente media. Così l'azoto (tcr = -147,1°C) è un gas; l'ammoniaca (tcr = 132,5 °C) è un vapore.
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