Критическая опалесценция: физика и проявления.

Введение

Критическая опалесценция – это явление, возникающее в области непрерывного, или фазового перехода второго рода. Впервые оно было описано Шарлем Каньярдом де ла Туром в 1823 году для смесей спирта и воды, а его значимость была отмечена Томасом Эндрюсом в 1869 году после его экспериментов по переходу жидкость-газ в углекислом газе; впоследствии было обнаружено множество других примеров. В 1908 году польский физик Мариан Смолуховский первым объяснил явление критической опалесценции большими флуктуациями плотности. В 1910 году Альберт Эйнштейн показал, что связь между критической опалесценцией и рассеянием Рэлея носит количественный характер.

Бинарные смеси жидкостей

Это явление наиболее часто демонстрируется в бинарных смесях жидкостей, таких как метанол и циклогексан. По мере приближения к критической точке размеры газовой и жидкой фаз начинают флуктуировать в масштабах все больших длин (длина корреляции жидкости расходится). Когда флуктуации плотности становятся сопоставимы с длиной волны света, свет рассеивается, и обычно прозрачная жидкость приобретает мутный вид. Примечательно, опалесценция не уменьшается при приближении к критической точке, где наибольшие флуктуации могут достигать даже сантиметровых размеров, что подтверждает физическую значимость меньших флуктуаций. При приближении к критической точке с противоположной стороны, в случае перехода газ-жидкость, газовая фаза может содержать капли жидкости в виде тумана и распыления, а в кипящей жидкой фазе – пузырьки газовой фазы в виде пены. Вдали от критической точки гравитация заставляет капли жидкости и пузырьки газа быстро оседать к границе раздела фаз, а поверхностное натяжение приводит к быстрому слиянию капель и пузырьков в более крупные, которые оседают еще быстрее. Однако по мере приближения к критической точке разница в плотности между жидкостью и паром, а также поверхностное натяжение уменьшаются. Эти эффекты замедляют осаждение капель и пузырьков и их слияние, в результате чего кипящая жидкость становится все более устойчивой к осаждению, образуя мелкий туман и пену вокруг границы раздела фаз. В случае критической точки жидкость-жидкость, жидкости с ограниченной растворимостью выпадают в осадок в виде эмульсий, которые вдали от критической точки на несмешивающейся стороне легко оседают к границе раздела фаз. При приближении к критической точке разница в плотности уменьшается вместе с межфазным натяжением, в результате чего осаждение происходит в виде все более мелкой и устойчивой к осаждению эмульсии. Поскольку критическая точка газ-жидкость возникает при давлении более 30 бар для всех веществ, за исключением некоторых криогенных газов, для ее демонстрации требуется прозрачный сосуд, выдерживающий давление более 30 бар, в то время как критическая точка жидкость-жидкость для многих систем может быть продемонстрирована при атмосферном давлении и умеренных температурах.

The phenomenon is most commonly demonstrated in binary fluid mixtures, such as methanol and cyclohexane. As the critical point is approached, the sizes of the gas and liquid region begin to fluctuate over increasingly large length scales (the correlation length of the liquid diverges). As the density fluctuations become of a size comparable to the wavelength of light, the light is scattered and causes the normally transparent liquid to appear cloudy. Tellingly, the opalescence does not diminish as one gets closer to the critical point, where the largest fluctuations can reach even centimetre proportions, confirming the physical relevance of smaller fluctuations. Approaching the critical point from the opposite direction, in case of liquid gas transition, the gas phase may contain drops of liquid as mist and spray, and the boiling liquid phase bubbles of gas phase as foam. Far from the critical point the gravity causes liquid drops and gas bubbles to rapidly settle towards the interface and surface tension causes drops and bubbles to rapidly merge to larger ones, which settle even faster. But as critical point is approached, the density difference between liquid and vapour diminishes and so does the surface tension. These effects will slow down settling of drops and bubbles and their merger, such that boiling liquid forms increasingly refractory to settling and fine mist and foam around the interface. In case of liquid liquid critical point, again the liquids of limited solubility precipitate out as emulsions which far from critical point on the immiscible side readily settle to interface. As critical point is approached, density difference decreases along with the interfacial surface tension, so that precipitation takes place as increasingly fine and refractory to settling emulsion. Since liquid gas critical point occurs at pressures over 30 bar for all substances except some cryogenic gases, demonstrating it requires a transparent vessel safe under over 30 bar, while liquid liquid critical point for many systems can be demonstrated at ambient pressure and modest temperatures.

Другие примеры

Ферромагнитный материал испытывает большие флуктуации магнитных доменов вблизи точки Кюри. Поскольку рассеяние нейтронов зависит от магнитных моментов атомов, это приводит к критической опалесценции. В частности, при направлении пучка нейтронов на ферромагнитный материал, по мере приближения к точке Кюри он начнет рассеивать нейтроны, как будто становясь непрозрачным для них.