Temperatura critica
Definizione e spiegazione della temperatura critica
Supponiamo di mantenere costante la temperatura e di aumentare progressivamente la pressione di un aeriforme: potrebbe succedere che le particelle gassose, avvicinandosi sempre di più fra loro ed aumentando l'intensità delle interazioni, raggiunto un certo valore di pressione diano luogo ad un liquido (liquefazione per compressione).
In realtà tale previsione può verificarsi o meno a seconda della temperatura a cui si opera.
Ad esempio, se alla temperatura di 20°C si comprime ossigeno, nemmeno ad altissime pressioni è possibile liquefarlo, mentre, se alla stessa temperatura si comprime ammoniaca, essa liquefa alla pressione di circa 8 atm.
Se la compressione dell'ossigeno viene effettuata invece a temperature inferiore a -118,4°C, il gas liquefa, mentre se la compressione dell'ammoniaca viene effettuata a temperature superiori a 132,5°C, tale specie non liquefa a nessun valore della pressione.
Generalizzando questo comportamento, possiamo affermare che per ogni specie gassosa esiste una temperatura al di sopra della quale non è possibile liquefare il gas indipendentemente dalla pressione esercitata; questa temperatura è detta temperatura critica.
Il valore della temperatura di un gas messa in relazione con la sua temperatura critica, spiega la differenza tra gas e vapore:
- un gas è un aeriforme che si trova ad una temperatura superiore alla sua temperatura critica;
- un vapore è un aeriforme che si trova ad una temperatura inferiore alla sua temperatura 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.
Nella pratica quotidiana è consuetudine attribuire il nome di gas a quegli aeriformi la cui temperatura critica è nettamente al disotto della temperatura ambiente media, e quello di vapore a quegli aeriformi la cui temperatura critica è nettamente al disopra della predetta temperatura ambiente media. Così l'argon (tcr = -122,4°C) è un gas; l'ammoniaca (tcr = 132,5 °C) è un vapore.
Di seguito le temperature critiche in °C di alcune sostanze comuni:
Acqua (373,936 °C)
Ammoniaca (132,5 °C)
Anidride carbonica (31,04°C)
Argon (-122,4°C)
Azoto (-146,9°C)
Benzene (288,9°C)
Bromo (310,8°C)
Cloro (143,8°C)
Elio (-267,96°C)
Etano (32,2°C)
Fluoro (-128,85°C)
Idrogeno (-239,95°C)
Kripton (-63,8°C)
Metano (-82,1°C)
Neon (-228,75°C)
Ossigeno (-118,6°C)
Xenon (16,6 °C)
L'esistenza della temperatura critica per la liquefazione di un gas è intuibile in quanto le molecole di gas si possono unire per dare un liquido solo se l'energia delle interazioni fra le molecole è maggiore della loro energia cinetica media.
Aumentando la temperatura, l'energia delle interazioni resta praticamente costante (dipende unicamente dalla struttura elettronica) mentre l'energia cinetica aumenta; è ovvio che superata la temperatura critica a cui energia cinetica media = energia delle interazioni, il gas non può liquefare.
Ovviamente quanto più deboli sono le interazioni fra le molecole di un gas, tanto più basso sarà il valore della sua temperatura critica. L'acqua, nella quale l'energia di legame tra le molecole (legame ponte a idrogeno) è nettamente superiore a quelle dell'elio (forze di London) ha una temperatura critica (37,1°C = temperatura critica dell'acqua) molto più alta di quella dell'elio (-267,9°C).
Temperatura critica: il caso dell'acqua
Dal diagramma di stato dell'acqua è facile individuare la temperatura critica 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 temperatura e di pressione 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 che rappresenta appunto la temperatura critica dell'acqua.
Diagramma di stato dell'acqua.
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