固体、液体、気体に加えて、水は実際にこの特別な形で燃えることもあります。

世の中の物質はさまざまな形で現れます。物質には、固体、液体、気体、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮体、フェルミオン凝縮体の 6 つの主要な形態が知られています。その中でも、固体、液体、気体は私たちが最もよく知っている3つの形態です。

私たちの日常生活で目にする物質のほとんどは、固体、液体、気体の 3 つの形態をとります。異なる温度と圧力下では、これら 3 つの形態は相互に変化します。最も典型的なのは水です。標準大気圧下では、水の沸点は 100 ℃ です。つまり、100 ℃ では水は気体、つまり水蒸気に変わります。摂氏0度は水の凝固点です。摂氏0度では、水は凝縮して氷になります。気圧が上昇すると、水の凝固点と沸点もそれに応じて上昇し、逆もまた同様です。

水には3つの形しかないのでしょうか?いいえ、水だけでなく、多くの物質は特殊な状況下では3つの形態とは異なる特殊な形態で存在します。この状態を「超臨界状態」と呼びます。

超臨界状態とは何ですか?

水を例にとると、水には臨界温度と臨界圧力があります。いわゆる臨界温度とは、水が気体から液体に変化する最高温度を指します。それはどういう意味ですか？標準大気圧下では水の沸点は摂氏100度であることはわかっていますが、圧力が増加すると温度も上昇します。しかし、温度が臨界温度を超えると、圧力をどれだけ増加させても、気体水は液体に変化しなくなります。臨界圧力とは、臨界温度で水が気体から液体に変化するために必要な最小圧力です。

水の臨界温度は374.15℃です。つまり、温度が374.15℃を超えると、圧力がどれだけ増加しても、水は気体から液体に変化しません。

水の臨界圧力は 22.05 MPa です。つまり、水が 374.15 ℃ のとき、気体から液体に変換するために必要な最小圧力は 22.05 MPa です。では、水の温度と圧力の両方が臨界値を超えると何が起こるのでしょうか?水は超臨界状態という特殊な状態を示し、この状態の水を「超臨界水」と呼びます。

超臨界水は特殊な流体です。通常の液体の水と比較すると、超臨界水の圧縮性は大幅に向上し、他の物質を溶解する独特の能力も備えています。具体的には、超臨界水と通常の液体の水の違いは、主に密度、誘電率、粘度に反映されます。

標準大気圧下では、室温での液体の水の動粘度は 0.001 パスカル秒ですが、超臨界水の粘度は 0.298 x 10∧-2 パスカル秒です。これはどういう意味ですか？これは、超臨界水が流動性の高い物質になることを意味します。

ここまで述べてきましたが、超臨界水は何の役に立つのでしょうか?超臨界水のユニークな特性により、有機廃棄物の処理など、幅広い用途に利用されることが必然的に決まります。有機廃棄物は伝統的にどのように処理されていますか?焼却により。焼却とは、その名の通り、高温で焼却することで有機廃棄物を分解することですが、この処理方法は二次公害を引き起こしてしまいます。しかし、「超臨界水燃焼技術」を利用することで、この問題を効果的に解決することができます。燃料または有機廃棄物が酸化剤と接触すると、超臨界水中で酸化反応が起こり、この激しい酸化反応によって「水熱炎」が発生します。

「水熱炎」はとても興味深い現象です。私たちには、水の中に火があるように見え、まるで水が本当に燃えるかのように見えます。

超臨界水燃焼技術を使用して有機廃棄物を処理すると、高温による二次汚染が発生しないだけでなく、99％の除去率を達成できます。二次的な手直しを必要とせず、一回で処理できます。超臨界水は、可燃性の特性に加えて、高品質の「抽出剤」でもあります。超臨界水は溶解性が高いため、多くの天然物質から風味や油分を抽出することができます。超臨界水には幅広い用途があり、大きな開発の可能性があるからこそ、科学者たちは超臨界水の研究を行ってきました。

初期の超臨界水は実験室で得られたため、科学者たちは常に「自然界に超臨界水は存在するのか？」という疑問を抱いていました。その後、この質問にはついに答えが出ました。

ドイツの科学者たちは、大西洋中央部の海底熱水噴出孔を調査しているときに、偶然に天然の超臨界水の存在を発見した。その理由は、ここの温度が水の臨界温度よりもはるかに高いからです。測定によると、熱水噴出孔付近の水温は摂氏464度に達し、水の臨界温度である摂氏374.15度を大きく上回った。これは科学者たちを非常に興奮させる発見です。なぜなら、超臨界水は人工的に作られたものではなく、自然界に客観的に存在するものであることが確認されたからです。もちろん、超臨界状態になり得る物質は超臨界水だけではありません。条件が適切であれば、多くの物質は超臨界状態に達することができます。

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