阅读材料。
克拉珀龙方程。
1.汽液二相图。
以pt图表示汽液两相存在的区域比pv图更为方便。
图1中的等温压缩过程abcd在pt图中表示出来即为一。
平行p轴的直线,如图2所示。图1中水平线bc所表示的。
是温度和压强都相同的汽液并存状态,它在图2中则以一个。
点表示。不同的温度下有不同的饱和蒸汽压,因此pv图中。
不同温度下的所有两相平衡共存态构成的整个区域,在pt
图中就对应着一条曲线ok,它称为汽化曲线。汽化曲线左。
上方表示液相存在的区域,汽化曲线的右下方表示汽相存在。
的区域,而汽化曲线也可以说是液态和汽态的分界线,这种。
表示汽液两相存在区域的pt图称为汽液二相图。
汽化曲线的终点就是临界点k,k点以上不存在汽液两相平衡共存的状态,汽化曲线的始点是o ,在o点以下,气相只能与固相平衡共存。
汽化曲线上一点的压强就是两相平衡共存时的压强,即饱和蒸汽压。因此,汽化曲线还可以表示饱和蒸汽压与温度的关系。因为沸腾时,外界的压强就等于饱和蒸气压,对应的温度就是沸点,所以汽化曲线也能表示出沸点与外界压强的关系。
2.克拉珀龙方程。
大家知道,沸点随压强而变,例如,压强小于1atm时,水的沸点低于100℃、压强大于l atm时,水的沸点高于100℃。熔点也随压强而变,例如,当压强为130 atm时,冰的熔点为1℃。这说明,两相平衡时的温度t和压强p有函数。
关系。这个函数关系可以在pt图上用曲线表示出来,如。
图3中相平衡曲线qr所示。相平衡曲线qr上的点m所。
对应的压强p和温度t表示两相平衡共存时的压强和温度。
在汽化情况下,p和t就是汽相和液相平衡共存时的压强。
和温度,qr就是汽化曲线,qr上的每一点的温度t和该。
点压强p下的沸点相对应,温度低于沸点时,只存在液相,因此qr左上方的区域表示液相单独存在的状态;qr右下方的区域表示汽相单独存在的状态。这样的pt图也就是上前面讨论的汽液二相图。在熔解情况下,相平衡曲线上每一点的温度t和该点压强p下的熔点相对应,相平衡曲线左上方的区域表示固相单独存在的状态,相平衡曲线右下方的区域则表示液相单独存在的状态。
这时,曲线qr就表示熔解曲线。熔解曲线上任一点对应于固液平衡共存的状态,其左上方为纯固态,其右下方为纯液态。所以,熔解曲线也可以说是固态和液态在pt图上的分界线。
这样的pt图就是固液二相图。 一般说来,可设相平衡曲线左上方为1相,相平衡曲线右下方为2相,则在相平衡曲线qr上1相和2相平衡共存,而相平衡曲线qr就是1相和2相的分界线。
由热力学第二定律可以求出相平衡曲线的斜率 。为此,设想一定量的物质作微小的可逆卡诺循环。在压强p和温度t时,设有质量为m的物质由1相转变为2相,相变过程在pv图上由过程曲线ab表示(见图4 b)。
然后再经过一绝热过程bc,使温度由t减小到t+t(t<0),压强由p减小到p+p(p<0),相应地,两相平衡共存的状态由pt图上的m点移到n点(见图4 a)。
这时使质量为m的物质由2相。
变为1相,相变过程在p v图。
上由过程曲线cd表示。最后。
再经过一个绝热过程da使。
温度回到t,压强回到p,即。
由pt图上的n点回到m点。
设单位质量的相变潜热为l,则在。
这一微小的可逆卡诺循环中,由高温热源(温度为t)吸取的热量为q1 = ml 。 设1相的比容(单位质量的体积)为v1,2相的比容为v2,则在相变过程ab中所增加的体积为m(v2v1),即pv图中ab的长度(体积的增加)为m(v2v1)。当t很小时,cd与ab的长度差别很小,abcd可看作平行四边形。
循环过程中对外界所作的功w,就是p v图中平行四边形abcd的面积,考虑到p<0,即有。
循环的效率为。
根据卡诺定理
因而得到。即。
在t无限小时,得到。
该式称为克拉珀龙方程。它是热力学第二定律的直接推论,它将相平衡曲线的斜率和相变潜热l、相变温度t以及相变时比容的变化(v2v1)联系起来了。在克拉珀龙方程中的各个量都是可以直接测量的,因此,该方程是否成立,可以用实验来验证,从而可以验证热力学第二定律的正确性。
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