临界现象200周年,是谁最早发现了这个物理现象?(6)

2024-06-16 来源:飞速影视
图6 乙烷的临界乳光现象(中图黄圈内) 图片来源:https://handwiki.org
在随后的另一篇论文[10]中,德拉图想要证明特定的极限温度的存在是一种普遍现象。所谓极限温度,是指在此温度之上,无论压强如何,液体都会蒸发。德拉图在论文中报告了几种物质实验的结果。他通过表面张力为零时液体弯月液面消失为标志,来确定对应的临界温度。德拉图测量了水、酒精、乙醚和二硫化碳的临界温度Tc,发现对应每种物质都确实有一个特定的温度,在该处即使不增加压强液体也会蒸发,而超过这个温度,液体全部蒸发。德拉图测得水的临界温度约为362℃。考虑到当时的历史条件,这已经是一个颇为准确的结果(现代测量的结果约为374℃)。他在论文中称,这种“特定的状态”(état particulier):“总是需要非常高的温度,几乎与管道的容量无关” [10]。我们现在知道,这种“特定的状态”标志着相平衡曲线的终点,即临界点。
许多德拉图的同时代人并未意识到他的发现的重要意义,认为这一结果仅对德拉图实验所用的物质才成立,而非普遍现象[11]。但是法拉第显示出他深刻的物理洞察,他认识到了德拉图的工作的价值[12]。1844年,法拉第在给胡威立(William Whewell,1794-1866)[注9]的信中写道:“几年前,卡格尼亚德·德拉图完成了一个实验,它给了我一个发明新词的机会。”接着,法拉第谈到现代意义下的临界点,“根据连续性定律(law of continuity),我该如何给液体和蒸汽合二为一的点命名呢?卡格尼亚德·德拉图没有命名它,那么我该如何称呼它呢?”(参见前注11)胡威立建议称其为汽化点,或者液体的非液化点,或者德拉图态也可以,法拉第在其后来的论文中用了“卡格尼亚德·德拉图态”(Cagniard de la Tour’s state)和“卡格尼亚德·
德拉图点”(Cagniard de la Tour point)[13]。
1859年7月5日,德拉图在巴黎去世。然而,他的实验发现开启了临界现象研究的古典时期,以及其后的智力探险之旅。
我们今天使用的“临界点”(critical point)一词是由英国物理化学家安德鲁斯[注10](Thomas Andrews,1813-1885)在1869年——德拉图去世十年后——提出的,他于同年发现了“超临界流体”,并将他的研究成果以《论物质气态与液态的连续性》(on the continuity of the gaseous and liquid states of matter)为题发表在当年的《哲学杂志》上[14](参见图7)。在这篇著名论文中,安德鲁斯研究了二氧化碳液气两相共存线的压强—体积曲线,进一步阐明了德拉图所谓的“特定状态”——即只有在一定的温度和压强下——气体才可能凝结成液体,或者液体才可能蒸发成气体。这一点之上是超临界相,在那里液体和蒸汽之间的区别消失了(参见图8)。
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