Kriittinen piste (termodynamiikka)

Kriittinen piste on faasidiagrammin piste, jossa kahden faasin välinen koeksistenssikäyrä päättyy. Esimerkkejä kriittisistä pisteistä ovat neste-kaasu-tasapainokäyrän loppupiste p-T-tasolla sekä ferro- ja paramagneettisen faasin välisen käyrän päätepiste H-T-tasolla. Lähestyttäessä kriittistä pistettä koeksistenssikäyrän suunnasta, faasien väliset erot heikkenevät ja ne lähestyvät ominaisuuksiltaan toisiaan kunnes kriittisessä pisteessä faaseja ei voi enää erottaa toisistaan. Kaasu-neste-fysteemissä aine on yhdessä faasissa, jota kutsutaan ylikriittiseksi fluidiksi (engl. supercritical fluid, scf). Lähestyttäessä kriittistä pistettä neste- ja kaasufaasin välinen entalpiaero (höyrystymislämpö) pienenee, kunnes kriittisessä pisteessa höyrystymisentalpia on nolla. Sama koskee neste- ja höyryfaasin välistä tiheyseroa. Nestemäisellä ja kiinteällä faasilla on eri symmetria, eikä niiden välisen koeksistenssikäyrän uskota loppuvan, joten niiden välisellä käyrällä ei myöskään ole kriittistä pistettä.  

Kriittisen pisteen avulla on myös erotettu käsitteet höyry ja kaasu toisistaan. Höyrystä puhutaan silloin, kun faasin lämpötila on kriittisen lämpötilan alapuolella. Höyry voidaan aina tiivistää nesteeksi kohottamalla sen painetta.  Jos aineen lämpötila on suurempi kuin sen kriittinen lämpötila, sitä ei voida nesteyttää.  

Veden kriittisessä pisteessä lämpötila on 374 °C ja paine 221 baaria. Kriittisen pisteen lämpötilaa ja painetta kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi (Tc) ja kriittiseksi paineeksi (Pc). Teknisesti tärkein ylikriittinen fluidi on ylikriittinen hiilidioksidi  (Tc = 31,4 °C, Pc = 73 bar), jolla on lukuisia käyttösovelluksia luonnonaineiden jalostuksessa ja kemianteollisuudessa.

Kriittiset ilmiöt 

Kriittistä pistettä lähestyttäessä aineen fysikaalisissa ominaisuuksissa havaitaan monia yllättäviä suhteita, joita kutsutaan kriittisiksi ilmiöiksi. Moni näistä ilmiöistä johtuu siitä että korrelaatiopituus kasvaa rajatta kriittisen pisteen lähellä. Havainnollinen esimerkki kriittisistä ilmiöistä on kaasu-neste-systeemin kriittinen opalesenssi. Lähestyttäessä kriittistä pistettä kaasu-neste-koeksistensssikäyrää pitkin, kaasu- ja nestefaasialueiden koot alkavat heilahdella jatkuvasti kasvavalla pituudella. Kun systeemin tiheysvaihteluiden kokoluokka vastaa näkyvän valon aallonpituutta, neste muuttuu sameaksi, sillä valo ei enää läpäise sitä siroamatta. Kriittinen opalesenssi havainnollistaa sitä että kriittisen pisteen lähellä materiaali muuttuu skaala-invariantiksi. Kriittisiä ilmiöitä ovat esimerkiksi eri suureiden väliset skaalaussuhteet, joidenkin suureiden potenssilaki-divergenssit, joita kuvaavat kriittiset eksponentit, universaalisuus, fraktaalisuus ja ergodisuuden rikkoutuminen.

Kaukana kriittisestä pisteestä olevaa systeemiä voidaan usein kuvata keskeiskenttä-approksimaation avulla. Keskeiskenttä-approksimaatio ei kuitenkaan sisällä fluktuaatioita, ja koska niiden merkitys kasvaa kriittistä pistettä lähestyttäessä, keskeiskenttäteoriaa ei yleensä voida käyttää kriittisten ilmiöiden kuvailuun. 
Kriittisiä ilmiöitä voidaan sen sijaan ymmärtää skaalausmuunnoksiin perustuvan renormalisaatioryhmän avulla. Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1982 myönnettiin Kenneth G. Wilsonille kriittisten ilmiöiden tutkimuksesta ja renormalisaatioryhmän kehittämisestä.

Lähteet 

Olomuodot
Termodynamiikka
Statistinen mekaniikka