臨界現象
目的
由實驗觀察液體在臨界點時外觀的變化。
原理
相變(phase transistion)和臨界現象(critical phenomena)在物理學中是相當困 難而且常有意外發現的一個領域。自從 1869 年安得魯斯發現臨界點，1873 年凡 得瓦提出非理想氣體狀態方程式以來，對相變的實驗和理論研究已經有一百多年 的歷史，從早期的傳統熱力學，到統計力學，到最新的重正化群(renormalization) 的理論，這個領域依然還有許多未解的謎。
臨界點是真實氣體在三相變化的相圖中一個特殊的點。圖 1 是一個一般氣體 在 P-T（壓力-溫度）軸上的相圖，其中三個常見相的區域均以文字標出，而曲線 則是表示有兩個態共存，例如曲線 OA 是固氣共存，AB 是固液共存，AC 是液氣 共存，也就是兩相間產生相變的狀態，這種相變化通常會有潛熱(latent heat)，像 是蒸發熱、凝結熱，稱為一階相變(first-order phase transition)。A 點則是大家所 熟知的三相點(triple point)，每一種氣體的三相點是固定的。通常 AB 曲線一直可 以向上延伸，AC 曲線則否，他的終點 C 就是所謂的臨界點(critical point)。臨界 點有什麼奇怪的地方呢？
圖 1 一般氣體的相圖
我們可以考慮在 P-T 圖上不同路徑由液態 D 到氣態 E 的相變化。路徑 I 經 過 AC 曲線，在其兩側一邊是液體，一邊是氣體，各具有不同的密度ρL和ρG。愈 靠近臨界點 C，他們的密度差ρL-ρG就愈小，在臨界點上密度差為 0！臨界點的 密度記做ρc。超過臨界溫度以後，根本分不出是液態還是氣態。沿 AC 曲線向 C 點接近時，實驗上可以發現密度差和溫度差（與臨界溫度 Tc比較）有下面的關 係
( )
βρ ρ
ρ
−
− ∝
c c
G L
T
1 T (eq. 1)
而且對不同的氣體，β幾乎都相同，根據精密的實驗發現β=0.325±0.010。不但如 此，還有其他的相變，例如鐵磁與反鐵磁的相變，在臨界點附近材料磁化率與溫
O P
T A
B
固 液 C 氣
臨界點
I D II
E
度的關係也和 eq. 1 相同，β也相同！不同的相變，但有相同的數學描述，我們 稱為”普適性”(Universality)，普適性的研究在近代物理中對相變的瞭解具有很重 要的角色。
圖 1 中由 D 到 E 點的相變化，如果選擇第 II 條路徑，沒有經過 AC 曲線，
也就是說在變化的過程中樣品的密度變化都是連續的，並沒有通過一個所謂的一 階相變，而是一連續的相變(continuous phase transition)。
臨界點除了 eq. 1 的特性外，還有許多有趣的特性，樣品的許多物理性質，
例如比熱、壓縮度等，都有一些奇怪的發散現象。不過，這些性質都到透過非常 仔細精密的實驗才能觀察。這個實驗，我們主要是要觀察由於在臨界點時，樣品 內部有異常的擾動，或稱漲落(fluctuation)，密度變得很不均勻，而且變化範圍的 尺度由小到大都有，會造成光的散色，使得氣體變得不透明，離開臨界點則此現 象消失，氣體還是透明的。這個現象也有人稱為”臨界乳光”。
實驗中所要觀察的物質是冷煤(Freon 115 二氯二氟甲烷)，他的基本資料 Pc :臨界壓力=30.8 bar
Tc:臨界溫度=353 K(80oC)
常溫下壓力腔中的冷煤處於液態(Fig. 2a)，當冷煤在限定的體積中被加熱 時，溫度和壓力漸漸升高，接近臨界溫度時，液體部分和氣體部分顯得非常混亂，
界限也變得模糊，再加熱氣體變得不透明(Fig.2b)，界限一消失，溫度已高過臨 界溫度，再加熱又變得透明(Fig. 2c)。由於空腔底部和頂篷的溫度不一樣，會有 很強的氣體對流存在，此時由於觀景窗玻璃的溫度較低，可能會有液滴凝結其上 並流下來。降溫時，當溫度一接近臨界溫度，冷煤由氣態過度到液氣共存的臨界 狀態，空腔又變得不透明(Fig. 2d)，但很快地，液體和氣體界線又可明顯地被觀 察到。重複實驗過程，因為空腔已經被預熱過了，所以重複實驗我們可以更清楚 的觀察到冷煤在臨界溫度的變化。
Fig. 2a: 常溫下液態冷煤
Fig. 2b: 升溫臨界溫度時，壓力腔開始產生 混亂不透明現象。
Fig. 2c: 溫對高於臨界溫度，冷煤全為氣 態，壓力腔又呈透明。
Fig. 2d: 降溫至臨界溫度時，壓力腔又始產 生混亂不透明現象。
儀器
圖 3 儀器裝置圖
實驗步驟
1.如圖 3 將儀器裝設好，我們將利用冷熱晶片來加熱冷媒空腔。
2.將電源供應器輸出接至冷熱晶片的兩支腳，注意正負接腳不要接錯了，調整電 壓輸出大小不要超過 12V，此時即開始加熱。
3.利用數位相機拍下不同溫度時的現象、超過臨界溫度約 10℃後關電源降溫。
4.記錄升、降溫過程中不同的現象的溫度。
5.重複步驟 4~6 三次，因為已預熱過的空腔，將使我們可以更清楚的觀察到冷煤 在臨界溫度的變化。
注意:冷煤空腔具有很高的溫度，實驗時務必小心以免燙傷。
預習問題
1. 假如相同的冷媒量，放在體積為本實驗所用腔體的兩倍，做相同的實驗，你觀 察得到臨界乳光的現象嗎？
2. 實驗中使用的冷媒 Freon 的臨界壓力相當於幾個大氣壓？
3. 請你去查一下資料，水的臨界點的壓力及溫度為何？
數據分析與思考問題
1. 為什麼這個實驗在臨界點附近，加熱的速度要非常的慢？
2. 液體沸騰與臨界點在本實驗中，結果有何不同？
A. 投射燈 6V/30W B. 投射燈電源供應
器 C. 冷熱晶片 D. 冷熱晶片電源供
應器
E. 凸透鏡 f=100 cm F. 投影菱鏡
G. 溫度計 H. 溫度探棒 B
C
D F E
G H
3. 你能觀察到臨界乳光現象的溫度範圍有多大？和你加熱速度有關嗎？
4. 如果腔體加熱不均勻的話，實驗上會觀察到怎樣的現象？
5. 在這個實驗，腔體的溫度是用什麼儀器測量的？原理為何？
