Siirry pääsisältöön
Facebook Twitter LinkedIn Email
28.4.2022

Miksi kaasuilla on kriittinen lämpötila, mitä kuumemmassa ne eivät missään paineessa enää nesteydy? Entä mikä tämän aiheuttaa?

Teknillisen termodynamiikan apulaisprofessori Tero Tynjälä, Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto:

Neste ja kaasu ovat aineen perusolomuotoja, faaseja. Kun aine on nestefaasissa, molekyylien välinen koheesiovoima pitää molekyylit kiinni toisissaan. Jos lämpötilaa ruvetaan nostamaan, molekyylien liike-energia kasvaa. Ne rupeavat värähtelemään ja pyörimään sitä kiivaammin mitä korkeammaksi lämpötila kohoaa. Jossakin vaiheessa tulee vastaan piste, jossa liike-energia voittaa koheesiovoiman ja molekyylit irtoavat erilleen – neste on muuttunut kaasuksi.

Aineesta riippuen tämä lämpötila vaihtelee. Esimerkiksi normaali-ilmapaineessa vesi muuntuu kaasuksi 100 celsiuksessa eli alkaa kiehua.

Lämpötilan lisäksi myös paineella on suuri merkitys. Jos nostamme ympäristön painetta, voimme saada kaasun nesteytymään lämpötiloissa, missä se normaalisti esiintyisi kaasuna. Näin on, koska korkeampi paine muodostaa vastavoiman ja hillitsee molekyylien liikkumista. Niinpä koheesiovoima ja paine yhdessä pitävät molekyylit kiinni toisissaan lämpötilasta huolimatta.

Eivät kuitenkaan loputtomasti, kuten kysyjä tietäänkin. Jos ympäristön lämpötila nousee ja nousee, jokainen aine törmää lopulta sille ominaiseen kriittisen tilan lämpötilaan. Fysiikan termein kyseessä on aineen kriittinen piste. Kun se on ylitetty, paineen lisääminen ei auta, kaasu ei enää nesteydy.

Veden kriittinen piste on korkea, 374 celsiusta. Joillakin aineilla se on varsin matala - skaala on laaja muun muassa aineen rakenteesta ja sähkövarauksesta riippuen. Esimerkiksi hiilidioksidilla kriittinen piste on vain noin 30 celsiusta, siis ympäristön lähes normaali lämpötila.

Kyse on samasta fysiikan ilmiöstä kuin kaasuuntumisessa, lämpötilan kasvun aiheuttamasta, molekyyleihin pakkautuvasta liike-energiasta. Kriittisessä pisteessä liikevoima ylittää koheesion ja paineen yhteisvoiman. Se saa nesteen hajoamaan eli molekyylit irtoavat toisistaan.

Koska paine on kova, normaali kaasuuntuminen ei silti ole mahdollista. Tuloksena on ylikriittinen fluidi, joka ei ole kaasua eikä nestettä vaan niiden välimuoto. Tiheys on kuin nesteen eli fluidi on paljon kaasua tiheämpää. Molekyylit eivät kuitenkaan ole kiinnittyneitä toisiinsa kuten nesteessä, vaan irrallaan kuin kaasussa.

Ylikriittisiä fluideja hyödynnetään muun muassa lämpövoima- ja lämpöpumppuprosesseissa. Niihin on pakkautunut runsaasti energiaa mutta ilman kiehumista, lauhtumista ja näihin faasimuutoksiin liittyviä rajuja, äkkinäisiä aineen tilavuuden muutoksia. Siksi niitä on helpompi hallita.

Ylikriittisten fluidien viskositeetti eli sisäinen kitka on yleensä pienempi kuin nesteellä, jolloin virtauksen aiheuttamat painehäviöt ovat myös pienemmät. 

Viimeksi muokattu 28.4.2022

kaasutynjala200.jpg

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:
 
Facebook logo  Twitter logo  Youtube logo

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Suomen Akatemian logo

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi

SAAVUTETTAVUUS