临界状态

物理学用语

临界状态是指纯物质的气、液两相平衡共存的极限热力状态。物质的气态和液态平衡共存时的一个边缘状态。在此状态时，饱和液体与饱和蒸气的热力状态参数相同，气液之间的分界面消失，因而没有表面张力，气化潜热为零。处于临界状态的温度、压力和比容，分别称为临界温度、临界压力和临界比容。可用临界点表示。

特点

1）任何纯物质都有其唯一确定的临界状态

2）在大于临界压力条件下，等压加热过程不存在汽化段，液体由未饱和态直接变化为过热态

3）在大于临界温度条件下，无论压力多高都不可能使气体液化

4）在临界状态下，可能存在超流动特性

5）在临界状态附近，水及水蒸汽有大比定压热容特性

饱和蒸汽压与临界状态

实际气体分子间存在吸引力，任何气体在一定温度压力下都会液化，但理想气体不可能液化。

气体的液化一般需要降温和加压：降温可减小分子热运动产生的离散倾向；加压可以缩小分子间距从而增大分子间引力。

气体的液化有个温度界限：

临界温度Tc: 气体加压液化所允许的最高温度.

临界压力pc: 气体在临界温度下液化所需要的最小压力.

临界体积Vc: 物质在临界温度, 临界压力下的摩尔体积.

Tc, pc, Vc总称为气体的临界参数, 是物质的一种特性参数.

下表为几种气体临界状态的临界参数

实际气体的液化过程与临界状态, 可从实验绘制的等温 p - Vm图上表现出来，具体如图《临界状态曲线》所示。

（1）T > Tc的等温线

T > Tc时气体不能液化, 等温线表示气体状态的 pVT 变化。

等温线较光滑, 没有斜率的突变点。

与同温下的理想气体的pVm = RT 双曲线对照, 可反映实际气体偏离理想行为的程度。

（2）T < Tc的等温线

等温线上均有一水平段, 此时压力不变, 而系统体积变化. 水平段的压力随温度升高而增大, 同时水平段长度缩短. 温度为临界温度时, 水平线缩至一点C. C点坐标为Tc, pc, Vc, 称作临界点.

《临界状态曲线》图中：

水平线对应的是气液两相平衡状态;

低压红线对应气态;

高压蓝线对应液态.

（3）T = Tc的等温线及临界点

临界点C处的坐标是Tc, pc, Vc.

Vc (l)= Vc (g), 气液之间没有区别.

C点是一个水平拐点, 其数学特征是此点的一阶和二阶导数都为零.。

饱和曲线：连结各温度下的饱和蒸气和液体的状态点成两条曲线.

在饱和曲线之内的状态点均对应于气液两相平衡状态.

实例

水的临界温度T=647.30K、临界压力Pc=22.1287兆帕、临界比容vc=0.00317立方米/千克。在气、液两相平衡共存的范围内，包括临界点，其定压比热容、容积热膨胀系数、等温压缩系数和绝热指数均趋于无限大。

根据核裂变的原理，在核裂变中，科学家会用中子作“炮弹”去轰击U235等材料的原子核，当“炮弹”打入后，原子核就会分裂，成为两个新的原子核。因为这种裂变过程中有质量损失，根据爱因斯坦的质能方程，就会释放出能量。同时，原子核裂变过程中会释放出新的中子，如果控制得当，这些中子就可以继续去攻击原子核，保证核裂变反应不会停顿。

所谓临界状态，就是核裂变产生出的新中子数量刚好满足反应堆继续裂变的需要。如果中子数过多，反应堆运行就会不稳定，严重时甚至有爆炸的危险；反之，如果中子数过少，裂变反应则会停下来。

为了避免危险，核反应堆都采取了多种措施吸收多余的中子，在冷却水中增加硼就是其中之一。

超临界水

德国科学家最近在对大西洋底一处高温热液喷口进行考察时发现，这个喷口附近的水温最高竟然达到464°C ，这不仅是迄今为止人们在自然界发现温度最高的液体，也是第一次观察到自然状态下处于超临界状态的水。这是人类第一次在自然状态下观察到超临界状态水的存在，以前人们只能在实验室通过技术来达到水的超临界状态。

所谓超临界水，是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的液体。安德里亚指出，超临界水具有两个显著的特性。一是具有极强的氧化能力，将需要处理的物质放入超临界水中，充入氧和过氧化氢，这种物质就会被氧化和水解。有的还能够发生自燃，在水中冒出火焰。另一个特性是可以与油等物质混合，具有较广泛的融合能力。这些特点使超临界水能够产生奇异功能。

对于超临界状态水的研究非常有意义。世界上有许多国家都在进行超临界水的研究和开发利用，其中以德国和日本最为突出。德国开发出一种技术，可以利用超临界水对污染物进行处理。

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