Соотношение Клаузиуса –Клапейрона в химической термодинамике определяет температурную зависимость давления, в первую очередь давления пара , при прерывистом фазовом переходе между двумя фазами вещества одного компонента. Оно названо в честь Рудольфа Клаузиуса [1] и Бенуа Поля Эмиля Клапейрона . [2] Однако это соотношение было первоначально выведено Сади Карно в его «Размышлениях о движущей силе огня» , которые были опубликованы в 1824 году, но в значительной степени игнорировались, пока их не переоткрыли Клаузиус, Клапейрон и лорд Кельвин десятилетия спустя. [3] Кельвин сказал об аргументе Карно, что «ничто во всем диапазоне натуральной философии не является более замечательным, чем установление общих законов с помощью такого процесса рассуждения». [4]
Кельвин и его брат Джеймс Томсон подтвердили эту связь экспериментально в 1849–1850 годах, и это имело историческое значение как очень раннее успешное применение теоретической термодинамики. [5] Ее значимость для метеорологии и климатологии заключается в увеличении водоудерживающей способности атмосферы примерно на 7% при каждом повышении температуры на 1 °C (1,8 °F).
Определение
Точное уравнение Клапейрона
На диаграмме давление – температура ( P – T ) для любого фазового перехода линия, разделяющая две фазы, известна как кривая сосуществования . Соотношение Клапейрона [6] [7] дает наклон касательных к этой кривой. Математически,
где - наклон касательной к кривой сосуществования в любой точке, - молярное изменение энтальпии ( скрытая теплота , количество энергии, поглощенной при превращении), - температура , - молярное изменение объема фазового перехода, - молярное изменение энтропии фазового перехода. В качестве альтернативы вместо молярных значений могут использоваться конкретные значения.
Уравнение Клаузиуса–Клапейрона
Уравнение Клаузиуса–Клапейрона [8] : 509 применяется к испарению жидкостей, где пар следует закону идеального газа с использованием идеальной газовой постоянной , а объем жидкости пренебрегается, поскольку он намного меньше объема пара V. Его часто используют для расчета давления пара жидкости. [9]
Уравнение выражает это в более удобной форме, используя только скрытую теплоту, для умеренных температур и давлений.
Соотношение Клаузиуса-Клапейрона описывает фазовый переход в замкнутой системе , состоящей из двух смежных фаз, конденсированного вещества и идеального газа, одного вещества, находящихся во взаимном термодинамическом равновесии при постоянной температуре и давлении . Следовательно, [8] : 508
Используя соответствующее соотношение Максвелла, получаем [8] : 508
где — давление. Поскольку давление и температура постоянны, производная давления по температуре не меняется. [10] [11] : 57, 62, 671 Следовательно, частная производная молярной энтропии может быть преобразована в полную производную
, а полная производная давления по температуре может быть вынесена за скобки при интегрировании от начальной фазы до конечной фазы , [8] : 508 чтобы получить
где и — соответственно изменение молярной энтропии и молярного объема. Учитывая, что фазовый переход является внутренне обратимым процессом , и что наша система замкнута, выполняется первый закон термодинамики :
где — внутренняя энергия системы. Учитывая постоянные давление и температуру (во время фазового перехода) и определение молярной энтальпии , получаем
При постоянном давлении и температуре (при фазовом переходе) получаем [8] : 508
Подставляя этот результат в производную давления, приведенную выше ( ), получаем [8] : 508 [12]
Этот результат (также известный как уравнение Клапейрона ) приравнивает наклон кривой сосуществования к функции молярной скрытой теплоты , температуры и изменения молярного объема . Вместо молярных значений могут также использоваться соответствующие удельные значения.
Вывод из соотношения Гиббса–Дюгема
Предположим, что две фазы, и , находятся в контакте и равновесии друг с другом. Их химические потенциалы связаны соотношением
где - давление, - удельная газовая постоянная , - температура. Подставляя в уравнение Клапейрона,
можно получить уравнение Клаузиуса–Клапейрона [8] : 509
для низких температур и давлений, [8] : 509 где - удельная скрытая теплота вещества. Вместо удельных можно использовать также соответствующие молярные значения (т. е. в кДж/моль и R = 8,31 Дж/(моль⋅К)).
Пусть и будут любыми двумя точками вдоль кривой сосуществования между двумя фазами и . В общем случае изменяется между любыми двумя такими точками как функция температуры. Но если аппроксимируется как константа,
или [11] : 672 [13]
Эти последние уравнения полезны, поскольку они связывают равновесное или насыщенное давление и температуру пара со скрытой теплотой фазового перехода, не требуя данных об удельном объеме. Например, для воды вблизи ее нормальной точки кипения с молярной энтальпией испарения 40,7 кДж/моль и R = 8,31 Дж/(моль⋅K),
Вывод Клапейрона
В оригинальной работе Клапейрона выдвигается следующий аргумент. [14]
Клапейрон рассмотрел процесс Карно насыщенного водяного пара с горизонтальными изобарами. Поскольку давление является функцией только температуры, изобары также являются изотермами. Если в процессе участвует бесконечно малое количество воды, и бесконечно малая разница температур , то поглощенное тепло равно
и соответствующая работа равна
где — разница между объемами в жидкой фазе и паровой фазе. Отношение — это эффективность двигателя Карно, . [a] Подстановка и перестановка дает
, где строчные буквы обозначают изменение удельного объема во время перехода.
Приложения
Химия и химическая инженерия
Для переходов между газом и конденсированной фазой с описанными выше приближениями выражение можно переписать как [7]
где - давления при температурах соответственно, а - постоянная идеального газа . Для перехода жидкость-газ - молярная скрытая теплота (или молярная энтальпия ) испарения ; для перехода твердое тело-газ - молярная скрытая теплота сублимации . Если скрытая теплота известна, то знание одной точки на кривой сосуществования , например (1 бар, 373 К) для воды, определяет остальную часть кривой. Наоборот, связь между и является линейной, и поэтому для оценки скрытой теплоты используется линейная регрессия .
Температурной зависимостью скрытой теплоты в этом приложении можно пренебречь.Формула Августа – Роша – Магнуса дает решение в этом приближении: [15] [16]
где— в гектопаскалях , а— в градусах Цельсия (тогда как везде на этой странице— абсолютная температура, например, в кельвинах).
При типичных атмосферных условиях знаменатель показателя степени слабо зависит от (единицей измерения является градус Цельсия). Поэтому уравнение Августа–Роша–Магнуса подразумевает, что давление насыщенного водяного пара изменяется приблизительно экспоненциально с температурой при типичных атмосферных условиях, и, следовательно, водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 7% при каждом повышении температуры на 1 °C. [18]
Пример
Одно из применений этого уравнения — определить, произойдет ли фазовый переход в данной ситуации. Рассмотрим вопрос о том, какое давление необходимо для таяния льда при температуре ниже 0 °C. Обратите внимание, что вода необычна тем, что ее изменение объема при таянии отрицательно. Мы можем предположить
и подставив в
(изменение удельного объема от твердого к жидкому),
мы получаем
Чтобы дать грубый пример того, насколько велико это давление, для того, чтобы растопить лед при температуре −7 °C (температура, на которой установлены многие ледовые катки ), потребуется уравновесить небольшой автомобиль (массой ~ 1000 кг [19] ) на напёрстке (площадь ~ 1 см 2 ). Это показывает, что катание на коньках нельзя просто объяснить понижением температуры плавления, вызванным давлением, и на самом деле механизм довольно сложен. [20]
^ Клаузиус, Р. (1850). «Ueber die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbstableiten lassen» [О движущей силе тепла и выводимых из нее законах относительно теории тепла]. Аннален дер Физик (на немецком языке). 155 (4): 500–524. Бибкод : 1850АнП...155..500С. дои : 10.1002/andp.18501550403. hdl : 2027/uc1.$b242250 .
^ Клапейрон, MC (1834). «Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur». Journal de l'École Polytechnique [fr] (на французском языке). 23 : 153–190. ковчег:/12148/bpt6k4336791/f157.
^ Фейнман, Ричард (1963). «Иллюстрации термодинамики». Лекции Фейнмана по физике . Калифорнийский технологический институт . Получено 13 декабря 2023 г. Это соотношение было выведено Карно, но оно называется уравнением Клаузиуса-Клапейрона.
^ Томсон, Уильям (1849). «Изложение теории Карно о движущей силе тепла; с числовыми результатами, выведенными из экспериментов Реньо с паром». Труды Эдинбургского королевского общества . 16 (5): 541–574. doi :10.1017/S0080456800022481.
^ Пиппард, Альфред Б. (1981). Элементы классической термодинамики: для продвинутых студентов физики (Повторное издание). Кембридж: Univ. Pr. стр. 116. ISBN978-0-521-09101-5.
^ Козиол, Андреа; Перкинс, Декстер. «Обучение фазовым равновесиям». serc.carleton.edu . Карлтонский университет . Получено 1 февраля 2023 г. .
^ Клаузиус; Клапейрон. «Уравнение Клаузиуса-Клапейрона». Bodner Research Web . Purdue University . Получено 1 февраля 2023 г.
^ Карл Род Нав (2006). "PvT-поверхность для вещества, которое сжимается при замерзании". HyperPhysics . Университет штата Джорджия . Получено 16 октября 2007 г.
^ ab Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (1998) [1989]. Термодинамика – инженерный подход . Серия McGraw-Hill по машиностроению (3-е изд.). Бостон, Массачусетс: McGraw-Hill. ISBN978-0-07-011927-7.
^ Salzman, William R. (2001-08-21). "Уравнения Клапейрона и Клаузиуса–Клапейрона". Химическая термодинамика . Университет Аризоны. Архивировано из оригинала 2007-06-07 . Получено 2007-10-11 .
^ Мастертон, Уильям Л.; Херли, Сесиль Н. (2008). Химия: принципы и реакции (6-е изд.). Cengage Learning. стр. 230. ISBN9780495126713. Получено 3 апреля 2020 г. .
^ Клапейрон, Э (1834). «Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur». Журнал Политехнической школы . XIV : 153–190.
^ Алдухов, Олег; Эскридж, Роберт (1997-11-01), Улучшенная аппроксимация формы Магнуса давления насыщенного пара, NOAA , doi : 10.2172/548871Уравнение 21 дает эти коэффициенты.
^ Alduchov, Олег А.; Eskridge, Роберт Э. (1996). «Улучшенная аппроксимация формы Магнуса давления насыщенного пара». Журнал прикладной метеорологии . 35 (4): 601–609. Bibcode : 1996JApMe..35..601A. doi : 10.1175/1520-0450(1996)035<0601:IMFAOS>2.0.CO;2 .Уравнение 25 дает эти коэффициенты.
^ Лоуренс, MG (2005). "Соотношение между относительной влажностью и температурой точки росы во влажном воздухе: простое преобразование и приложения" (PDF) . Бюллетень Американского метеорологического общества . 86 (2): 225–233. Bibcode : 2005BAMS...86..225L. doi : 10.1175/BAMS-86-2-225.
^ МГЭИК, Изменение климата 2007: Рабочая группа I: Физическая научная основа, «FAQ 3.2 Как меняются осадки?». Архивировано 2 ноября 2018 г. на Wayback Machine .
^ Зорина, Яна (2000). «Масса автомобиля». The Physics Factbook .
^ Liefferink, Rinse W.; Hsia, Feng-Chun; Weber, Bart; Bonn, Daniel (2021-02-08). «Трение на льду: как температура, давление и скорость контролируют скользкость льда». Physical Review X. 11 ( 1): 011025. doi : 10.1103/PhysRevX.11.011025 .
^ Крафчик, Мэтью; Санчес Веласко, Эдуардо (2014). «За пределами Клаузиуса–Клапейрона: Определение второй производной линии фазового перехода первого рода». American Journal of Physics . 82 (4): 301–305. Bibcode :2014AmJPh..82..301K. doi :10.1119/1.4858403.
Библиография
Яу, МК; Роджерс, РР (1989). Краткий курс физики облаков (3-е изд.). Баттерворт–Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-3215-7.
Iribarne, JV; Godson, WL (2013). "4. Системы вода-воздух § 4.8 Уравнение Клаузиуса–Клапейрона". Atmospheric Thermodynamics . Springer. стр. 60–. ISBN 978-94-010-2642-0.
Каллен, Х. Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатику . Wiley. ISBN 978-0-471-86256-7.
Примечания
^ В оригинальной работе просто называлась функцией Карно и не была известна в этой форме. Клаузиус определил форму 30 лет спустя и добавил свое имя к одноименному соотношению Клаузиуса–Клапейрона.