Erklärer: Was ist eine überkritische Flüssigkeit?

Dieser Artikel erschien ursprünglich in The Conversation. Die Publikation beigetragen Artikel Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Wenn wir einen Wasserkocher kochen, wir beobachten, was Wissenschaftler einen Phasenübergang nennen: das Wasser wechselt von einer Flüssigkeit zu einem Gas als Wasser weniger dicht wird. Ein Liter Wasser kocht, um ca. 1000 Liter Dampf bei atmosphärischem Druck zu geben.

Aber was passiert, wenn wir versucht, das Wasser unter hohem Druck statt zu kochen? Wenn wir das Wasser auf 1.000 Mal atmosphärischen Druck gepresst und dann versucht, es zu kochen?

Bis vor kurzem wurden die Wissenschaftler ganz klar in ihren Erwartungen darüber. Wenn Sie Wasser auf 1.000 Mal atmosphärischen Druck gepresst und dann erhitzt, und dabei den Druck auf, würde Sie nicht mehr beobachten, so kochen. Die Wassermoleküle würde um mit mehr Energie, sausen und die Dichte langsam nach unten gehen würde, aber gäbe es kein Kochen. Zu keinem Zeitpunkt würde das Wasser einen plötzlichen Übergang von einer Flüssigkeit zu einem Gas durchmachen. Wasser (oder andere Materialien) unter diesen Bedingungen nennt man eine überkritische Flüssigkeit.

Die Bedingungen der 1.000 Atmosphären Druck und 500° C mag exotische, aber zur Natur ist dies ziemlich alltägliche Dinge. Legen Sie ein paar hundert Kilometer in die Atmosphäre des Uranus, Neptun, Jupiter oder Saturn und das ist genau das, was es ist. Auf der Erde verwenden wir überkritische Fluiden allgemein in der Lebensmittel-, Chemie- und macht in alltägliche Abläufe wie decaffeinating Kaffee.

Russische Bestreben

Unser Verständnis von Flüssigkeiten und überkritischen Fluiden engagiert sich in der Vergangenheit behandelt sie wie ein Gas, aber mit ein paar Kniffe. Allerdings wurde in den 1930er Jahren russischer Physiker Jakow Iljitsch Frenkel auf die Tatsache widerspiegeln, dass die Dichte von Flüssigkeiten, Feststoffen viel näher als die von Gasen ist. Sicherlich dann Frenkel dachte, es wäre von Vorteil, einige Konzepte von unserem Verständnis von Feststoffen mit Flüssigkeiten zu verstehen?

Flüssigkeiten und Feststoffe sind zwar ähnlich in Bezug auf Dichte gibt es auch einige wesentliche Unterschiede – besonders in der Höhe von Störung. In den meisten Festkörpern, die die Atome besetzen zerbrach regelmäßige Positionen in Physiker ein Kristallgitter, ein bisschen wie Billardkugeln nenne, bereit um zu brechen oder Ferrero Rocher gestapelt auf einem Teller hoch. In Flüssigkeiten sind die Positionen der Atome jedoch fast zufällig.

Frenkel Arbeit resultierte in einem Buch, die kinetische Theorie der Flüssigkeiten, die unter schwierigen Bedingungen auf dem Höhepunkt des zweiten Weltkriegs geschrieben wurde. Drin Frenkel nimmt dann vor kurzem entwickelte Quantum mechanische Ideen um Feststoffe zu beschreiben, und wendet sie stattdessen auf Flüssigkeiten.

Damals wurden Frenkel Ideen zu diesem Thema durch die breitere Wissenschaftsgemeinschaft ignoriert. Nicht, weil sie waren falsch sein, sondern einfach weil sie schwer waren zu beweisen oder zu widerlegen experimentell. Als Frenkel erwähnt in dem Buch "die Realisierung von hohen positiven Druck und die Untersuchung der... Stellen unter solchem Druck ist keine leichte Aufgabe gewesen". Aber jetzt gab es eine Wiederbelebung des Interesses an Frenkel Arbeit. Warum hat es so lange gedauert, um die Folgen der Frenkel Ideen zu erkunden?

Als Frenkel kinetische Theorie von Flüssigkeiten schrieb, war Hochdruck Wissenschaft in den Kinderschuhen. Heutzutage ist jedoch die Situation ganz anders. Wir können jetzt 1.000 Atmosphären Druck ganz leicht zu generieren und nützliche experimentelle Messungen auf Materialien unter diesen Bedingungen zu machen.

Zeichnen von Linien

Basierend auf diesen Studien, haben Physiker kürzlich vorausgesagt, dass möglicherweise gibt es keine solche Sache wie eine überkritische Flüssigkeit schließlich. Auch bei beliebig hoher Druck werden immer einige Unternehmen, die Trennlinie zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit – Frenkel-Linie genannt.

Wenn diese Vorhersage dann korrekt ist, wenn wir waren squeeze-Wasser (oder anderen Flüssigkeiten) auf 1.000 Mal atmosphärischen Druck und erhitzen Sie es, würden wir noch eine plötzliche Veränderung zwischen einer Flüssigkeit-Like und ein Gas-artigen Zustand, einige subtile, aber wichtige Änderungen in den Eigenschaften des Materials sehen können.

Die Implikation hier ist, wenn die gängigen überkritischen Fluiden sind nicht was Physiker gedacht zu sein, dann wir möglicherweise in der Lage, weitere interessanten Eigenschaften zu finden, die ausgenutzt werden könnten. Nach fast einem Jahrhundert sicher zu sein haben Physiker nun zu überdenken, wie überkritische Fluiden zu interpretieren.

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