Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Клапейрона–Клаузиуса

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ.

УРАВНЕНИЕ КЛАПЕЙРОНА – КЛАУЗИУСА.

Переход компонента из одной фазы в другую сопровождается выделением или поглощением теплоты, которую можно определить количественно на основе фундаментального уравнения термодинамики:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование(*)

ВЫВОД И АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ КЛАПЕЙРОНА – КЛАУЗИУСА.

Для любого равновесного перехода вещества из одной фазы α в другую фазу β, применяя уравнение (*) к каждой из фаз, можно написать

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Индексы α и β отражают принадлежность параметров к соответствующей фазе. В равновесных условиях между фазами α и β изменение энергии Гиббса отсутствует, т.е.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеУравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеПриравнивая правые части уравнений 1 и 2, получим

Для равновесного обратимого процесса согласно уравнениям Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеи Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиезапишем

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

а уравнение (3) примет вид

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

где ∆Hпер – теплота фазового перехода.

Тепловой эффект, сопровождающий фазовый переход, определяется следующим образом:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеуравнение

Клапейрона–Клаузиуса

где ∆V – изменение объема в результате фазового перехода; dP/dT – изменение давления в зависимости от температуры при сохранении равновесия между двумя фазами.

Уравнение Клапейрона–Клаузиуса связывает тепловой эффект процесса с изменением давления насыщенного пара, температурой и изменением объема в процессе фазового перехода.

Для процессов испарения ж→п и сублимации тв→п уравнение Клапейрона–Клаузиуса можно представить следующим образом:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

где ∆Hисп , ∆Hсуб – теплоты испарения и сублимации; Vп, Vж, Vтв – мольные объемы пара, жидкости и твердого тела соответственно.

В процессе испарения и сублимации наблюдается значительное изменение удельного объема ∆V и существенное изменение величины dP/dT. При плавлении, напротив, изменение ∆V невелико, и величина dP/dT незначительна.

Пример 1. Проведем расчет по уравнению Клапейрона–Клаузиуса температуры плавления фенола Тпл. Плотность твердого фенола ρтв при атмосферном давлении составляет 1,072∙10 3 кг/м 3 , а жидкого ρж = 1,056∙10 3 кг/м 3 ; теплота плавления ∆Hпл = 1,045∙10 5 Дж/кг; температура замерзания 314,2 К. Определим dP/dT и температуру плавления при Р = 5,065∙10 7 Па:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Прирост температуры плавления при повышении давления на 1 атм ( 1,013∙10 5 Па) составляет 4,525∙10 -8 град/Па. При увеличении давления до 5,065∙10 7 Па температура плавления увеличивается на ∆T = (dT/dP)∆P = 4,525∙10 -8 ∙ 5,065∙10 7 = 2,29 К, т.е. составит Тпл = 314,2+2,29 = 316,49 К.

Следует иметь в виду, что в процессе плавления у большинства веществ Vж > Vтв , тогда ∆V>0 и при повышении давления Р↑ температура плавления повышается Т↑.

Однако, такие вещества как вода (Н2О), висмут (Bi), имеют объем твердой фазы Vтв больше, чем объем жидкой фазы Vж уд = 10 -3 м 3 /кг и Vтв уд = 1,091·10 -3 м 3 /кг; теплота плавления ∆Hпл = 332,4 кДж/кг:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Это значение показывает, что для понижения температуры таяния льда на один градус Кельвина необходимо увеличить давление на 1,34∙10 7 Па, т.е. примерно на 134 атмосферы, что нереально, поскольку такое давление лед не выдерживает – трескается.

Таяние льда происходит в основном в результате трения и превращения работы в теплоту при скольжении конька по льду, а не за счет повышения давления на лед.

Уравнение для процесса испарения Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеможно представить в интегральном виде. Мольный объем пара значительно превосходит мольный объем жидкости, Vп >> Vж , т.е. величиной Vж можно пренебречь. Тогда уравнение Клапейрона–Клаузиуса запишется в виде:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Пар подчиняется законам идеального газа: PV=RT Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, тогда Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, преобразуем уравнение, переставляя давление Р в левую часть уравнения, а dT в правую часть. Получаем:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеили

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Проведем интегрирование уравнения (1) в пределах от Т1 до Т2 и соответственно от Р1 до Р2 при условии, что в области невысоких давлений пара ∆Нисп ≈ const; в результате интегрирования получим:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

∆Нисп / R = const, выносим за знак интеграла

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

При помощи уравнения (2) можно графически определить значения теплоты испарения, если известны давления Р1 и Р2 и соответствующие им температуры испарения Т1 и Т2 . Для этого необходимо отложить на оси абсцисс значения обратной температуры, а на оси ординат – lnP.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Зависимость lnP от 1/Т будет линейной, а тангенс угла наклона этой прямой равен Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, т.е. Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, а Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Расчетные значения ∆Нисп получаются с достаточной для практики точностью, не уступающей точности непосредственного измерения. Возможно использование уравнения (2) для обратного расчета, когда по значению ∆Нисп определяют изменение давления при изменении температуры в процессе испарения.

Теплоту фазовых переходов можно определить и по величине стандартной энтальпии образования, в зависимости от фазового состояния продуктов реакции.

Пример. Лучше всего это показать на примере теплоты образования воды из газообразных кислорода и водорода, которая составляет

для водяного пара ∆Н(г) 0 = -241,82 кДж/моль; для воды в жидком состоянии ∆Н(ж) 0 = -285,83 кДж/моль; для льда ∆Н(тв) 0 = -291,82 кДж/моль. Теплота конденсации воды равна:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

а теплота превращения воды в лед:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Как видно, тепловой эффект фазовых переходов значительно меньше теплоты образования веществ.

В результате фазовых переходов происходит изменение энтропии. Такие изменения в зависимости от температуры представим на рисунке.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Как известно, энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. С ростом температуры атомы (ионы) флуктуировать относительно равновесного положения, число возможных способов их размещения растет, и энтропия увеличивается (ΔS>0). При достижении температуры плавления (точка А на рисунке) кристаллическая решетка разрушается скачкообразно (отрезок АБ), увеличивается термодинамическая вероятность системы W, а в соответствии с формулой S=k∙lnW (где k – постоянная Больцмана) энтропия при переходе от твердого в жидкое состояние растет. Более значительный скачок энтропии имеет место при переходе из жидкого состояния в газообразное (отрезок ВГ), когда ближний порядок расположения частиц друг относительно друга нарушается, и движение частиц становится хаотичным.

Пример. Оценим скачок энтропии на примере фазовых переходов воды:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

когда известны стандартные абсолютные значения энтропии Sтв 0 =39,4; Sж 0 =69,9; Sг 0 =188,7 Дж/(моль·К).

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

В соответствии с рисунком для воды Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

По известной энтальпии фазового перехода можно рассчитать изменение энтропии в соответствии с формулой Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Пример.Вычислим изменение энтропии в процессе парообразования 1 моля этилхлорида при 12,3 0 С, когда теплота испарения ∆Нисп =24,16 кДж/моль.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Молекулярная масса Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование= 64,5 г/моль.

В заключение отмечу, что мы рассматривали лишь фазовые переходы I рода. При фазовых переходах I рода свойства веществ, выражаемые, например, через химический потенциал, первыми производными одной из характеристических функций, изменяются скачком при непрерывном изменении соответствующих параметров: температуры, давления, объема и энтропии. При этом выделяется или поглощается теплота перехода ∆Нпер в соответствии с уравнением Клапейрона–Клаузиуса.

Кроме них, однако, существуют фазовые переходы II рода. Они не сопровождаются выделением или поглощением теплоты, для них уравнение Клапейрона–Клаузиуса теряет смысл. Эти переходы характеризуют изменения в системе, которые не определяются объемом и запасом энергии. В этом случае первые производные одной из характеристических функций непрерывны, а вторые производные (например, теплоемкость) изменяются скачком. К фазовым переходам II рода относятся переходы парамагнетика в ферромагнетик, диэлектрика в сегнетоэлектрик, а также процессы возникновения сверхтекучести, сверхпроводимости и др.

В настоящее время насчитывается около 400 твердых минералов, для которых наблюдаются фазовые переходы II рода: рутил, анатаз, алмаз и особенно кварц, который имеет семь модификаций, причем наряду с фазовыми переходами I рода наблюдаются фазовые переходы II рода. Так, при 573 0 С и переходе модификации кварца β Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеα теплоемкость и коэффициент линейного расширения изменяются скачкообразно (I род), но при этом поглощается теплота 10,9 кДж/моль (II род).

|следующая лекция ==>
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СЕРЫ.|ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА РАСТВОРОВ.

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 3141 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Физика. МКТ: Уравнение Менделеева-Клапейрона для идеального газа. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»Скачать

Физика. МКТ: Уравнение Менделеева-Клапейрона для идеального газа. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

ВЫВОД И АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ КЛАПЕЙРОНА – КЛАУЗИУСА.

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ.

УРАВНЕНИЕ КЛАПЕЙРОНА – КЛАУЗИУСА.

Переход компонента из одной фазы в другую сопровождается выделением или поглощением теплоты, которую можно определить количественно на основе фундаментального уравнения термодинамики:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование(*)

ВЫВОД И АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ КЛАПЕЙРОНА – КЛАУЗИУСА.

Для любого равновесного перехода вещества из одной фазы α в другую фазу β, применяя уравнение (*) к каждой из фаз, можно написать

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Индексы α и β отражают принадлежность параметров к соответствующей фазе. В равновесных условиях между фазами α и β изменение энергии Гиббса отсутствует, т.е.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеУравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеПриравнивая правые части уравнений 1 и 2, получим

Для равновесного обратимого процесса согласно уравнениям Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеи Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиезапишем

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

а уравнение (3) примет вид

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

где ∆Hпер – теплота фазового перехода.

Тепловой эффект, сопровождающий фазовый переход, определяется следующим образом:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеуравнение

где ∆V – изменение объема в результате фазового перехода; dP/dT – изменение давления в зависимости от температуры при сохранении равновесия между двумя фазами.

Уравнение Клапейрона–Клаузиуса связывает тепловой эффект процесса с изменением давления насыщенного пара, температурой и изменением объема в процессе фазового перехода.

Для процессов испарения ж→п и сублимации тв→п уравнение Клапейрона–Клаузиуса можно представить следующим образом:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

где ∆Hисп , ∆Hсуб – теплоты испарения и сублимации; Vп, Vж, Vтв – мольные объемы пара, жидкости и твердого тела соответственно.

В процессе испарения и сублимации наблюдается значительное изменение удельного объема ∆V и существенное изменение величины dP/dT. При плавлении, напротив, изменение ∆V невелико, и величина dP/dT незначительна.

Пример 1. Проведем расчет по уравнению Клапейрона–Клаузиуса температуры плавления фенола Тпл. Плотность твердого фенола ρтв при атмосферном давлении составляет 1,072∙10 3 кг/м 3 , а жидкого ρж = 1,056∙10 3 кг/м 3 ; теплота плавления ∆Hпл = 1,045∙10 5 Дж/кг; температура замерзания 314,2 К. Определим dP/dT и температуру плавления при Р = 5,065∙10 7 Па:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Прирост температуры плавления при повышении давления на 1 атм ( 1,013∙10 5 Па) составляет 4,525∙10 -8 град/Па. При увеличении давления до 5,065∙10 7 Па температура плавления увеличивается на ∆T = (dT/dP)∆P = 4,525∙10 -8 ∙ 5,065∙10 7 = 2,29 К, т.е. составит Тпл = 314,2+2,29 = 316,49 К.

Следует иметь в виду, что в процессе плавления у большинства веществ Vж > Vтв , тогда ∆V>0 и при повышении давления Р↑ температура плавления повышается Т↑.

Однако, такие вещества как вода (Н2О), висмут (Bi), имеют объем твердой фазы Vтв больше, чем объем жидкой фазы Vж уд = 10 -3 м 3 /кг и Vтв уд = 1,091·10 -3 м 3 /кг; теплота плавления ∆Hпл = 332,4 кДж/кг:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Это значение показывает, что для понижения температуры таяния льда на один градус Кельвина необходимо увеличить давление на 1,34∙10 7 Па, т.е. примерно на 134 атмосферы, что нереально, поскольку такое давление лед не выдерживает – трескается.

Таяние льда происходит в основном в результате трения и превращения работы в теплоту при скольжении конька по льду, а не за счет повышения давления на лед.

Уравнение для процесса испарения Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеможно представить в интегральном виде. Мольный объем пара значительно превосходит мольный объем жидкости, Vп >> Vж , т.е. величиной Vж можно пренебречь. Тогда уравнение Клапейрона–Клаузиуса запишется в виде:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Пар подчиняется законам идеального газа: PV=RT Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, тогда Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, преобразуем уравнение, переставляя давление Р в левую часть уравнения, а dT в правую часть. Получаем:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеили

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Проведем интегрирование уравнения (1) в пределах от Т1 до Т2 и соответственно от Р1 до Р2 при условии, что в области невысоких давлений пара ∆Нисп ≈ const; в результате интегрирования получим:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

∆Нисп / R = const, выносим за знак интеграла

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

При помощи уравнения (2) можно графически определить значения теплоты испарения, если известны давления Р1 и Р2 и соответствующие им температуры испарения Т1 и Т2 . Для этого необходимо отложить на оси абсцисс значения обратной температуры, а на оси ординат – lnP.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Зависимость lnP от 1/Т будет линейной, а тангенс угла наклона этой прямой равен Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, т.е. Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование, а Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Расчетные значения ∆Нисп получаются с достаточной для практики точностью, не уступающей точности непосредственного измерения. Возможно использование уравнения (2) для обратного расчета, когда по значению ∆Нисп определяют изменение давления при изменении температуры в процессе испарения.

Теплоту фазовых переходов можно определить и по величине стандартной энтальпии образования, в зависимости от фазового состояния продуктов реакции.

Пример. Лучше всего это показать на примере теплоты образования воды из газообразных кислорода и водорода, которая составляет

для водяного пара ∆Н(г) 0 = -241,82 кДж/моль; для воды в жидком состоянии ∆Н(ж) 0 = -285,83 кДж/моль; для льда ∆Н(тв) 0 = -291,82 кДж/моль. Теплота конденсации воды равна:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

а теплота превращения воды в лед:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Как видно, тепловой эффект фазовых переходов значительно меньше теплоты образования веществ.

В результате фазовых переходов происходит изменение энтропии. Такие изменения в зависимости от температуры представим на рисунке.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Как известно, энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. С ростом температуры атомы (ионы) флуктуировать относительно равновесного положения, число возможных способов их размещения растет, и энтропия увеличивается (ΔS>0). При достижении температуры плавления (точка А на рисунке) кристаллическая решетка разрушается скачкообразно (отрезок АБ), увеличивается термодинамическая вероятность системы W, а в соответствии с формулой S=k∙lnW (где k – постоянная Больцмана) энтропия при переходе от твердого в жидкое состояние растет. Более значительный скачок энтропии имеет место при переходе из жидкого состояния в газообразное (отрезок ВГ), когда ближний порядок расположения частиц друг относительно друга нарушается, и движение частиц становится хаотичным.

Пример. Оценим скачок энтропии на примере фазовых переходов воды:

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование,

когда известны стандартные абсолютные значения энтропии Sтв 0 =39,4; Sж 0 =69,9; Sг 0 =188,7 Дж/(моль·К).

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

В соответствии с рисунком для воды Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

По известной энтальпии фазового перехода можно рассчитать изменение энтропии в соответствии с формулой Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Пример.Вычислим изменение энтропии в процессе парообразования 1 моля этилхлорида при 12,3 0 С, когда теплота испарения ∆Нисп =24,16 кДж/моль.

Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование

Молекулярная масса Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрирование= 64,5 г/моль.

В заключение отмечу, что мы рассматривали лишь фазовые переходы I рода. При фазовых переходах I рода свойства веществ, выражаемые, например, через химический потенциал, первыми производными одной из характеристических функций, изменяются скачком при непрерывном изменении соответствующих параметров: температуры, давления, объема и энтропии. При этом выделяется или поглощается теплота перехода ∆Нпер в соответствии с уравнением Клапейрона–Клаузиуса.

Кроме них, однако, существуют фазовые переходы II рода. Они не сопровождаются выделением или поглощением теплоты, для них уравнение Клапейрона–Клаузиуса теряет смысл. Эти переходы характеризуют изменения в системе, которые не определяются объемом и запасом энергии. В этом случае первые производные одной из характеристических функций непрерывны, а вторые производные (например, теплоемкость) изменяются скачком. К фазовым переходам II рода относятся переходы парамагнетика в ферромагнетик, диэлектрика в сегнетоэлектрик, а также процессы возникновения сверхтекучести, сверхпроводимости и др.

В настоящее время насчитывается около 400 твердых минералов, для которых наблюдаются фазовые переходы II рода: рутил, анатаз, алмаз и особенно кварц, который имеет семь модификаций, причем наряду с фазовыми переходами I рода наблюдаются фазовые переходы II рода. Так, при 573 0 С и переходе модификации кварца β Уравнение клаузиуса клапейрона и его интегрированиеα теплоемкость и коэффициент линейного расширения изменяются скачкообразно (I род), но при этом поглощается теплота 10,9 кДж/моль (II род).

Видео:Физическая химия # 2. Вывод уравнения Клаузиуса-КлапейронаСкачать

Физическая химия # 2. Вывод уравнения Клаузиуса-Клапейрона

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона: для чего оно нужно, примеры, упражнения

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона: для чего оно нужно, примеры, упражнения — Наука

Видео:Урок 156. Уравнение состояния идеального газа. Квазистатические процессыСкачать

Урок 156. Уравнение состояния идеального газа. Квазистатические процессы

Содержание:

В Уравнение Клаузиуса-Клапейрона Он связывает изменения давления пара и температуры с фазовым переходом или изменением состояния. Это применимо для сублимации, испарения, плавления или даже при изменении кристаллической фазы. Стоит отметить, что это уравнение применимо к чистому веществу, которое находится в равновесии.

Это уравнение выводится из термодинамических законов и диаграмм P-T для вещества, где наблюдается линия сосуществования; то, что разделяет две разные фазы (жидкость-пар, твердое тело-жидкость и т. д.). Чтобы пересечь эту линию, необходим приток или потеря тепла, например, энтальпия парообразования ΔHvap.

На изображении выше показано уравнение Клаузиуса-Клапейрона до его интегрирования. Обычно применяется для систем жидкость-пар, где используется ΔH.vap и вы хотите рассчитать, каким будет давление пара жидкости при определенной температуре. Он также служит для вычисления ΔHvap определенной жидкости в диапазоне температур.

Уравнение Клаузису-Клапейрона также довольно часто используется для изучения изменений давления в летучих твердых телах; то есть энтальпия сублимации ΔHсуб.

Видео:Уравнение КЛАПЕЙРОНА-КЛАЗИУСА | МОЛЕКУЛЯРКА (лекция) - КАРАВАЕВ В. А. ФизФак МГУСкачать

Уравнение КЛАПЕЙРОНА-КЛАЗИУСА | МОЛЕКУЛЯРКА (лекция) -  КАРАВАЕВ В. А. ФизФак МГУ

Для чего нужно уравнение Клаузису-Клапейрона?

Видео:Урок 194. Уравнение Ван-дер-ВаальсаСкачать

Урок 194. Уравнение Ван-дер-Ваальса

Расчет изменений давления и энтальпий парообразования

Из приведенного выше уравнения Клаузиуса-Клапейрона мы переходим к некоторым математическим соображениям, чтобы наконец выполнить интегрирование. Например, для системы жидкость-пар предполагается, что ΔHvap не меняется с температурой, и что ΔV соответствует исключительно объему пара, без учета объема жидкости (Vпар-Vжидкость = Vпар).

Предполагая, что пар ведет себя как идеальный газ и интегрирует, получается интегральное уравнение Клаузиуса-Клапейрона:

Это уравнение соответствует уравнению линии, изображенной на графике:

Ln P против 1 / T

И отрицательный наклон которой равен (ΔH / R). Следовательно, чтобы это уравнение выполнялось, ΔH должна быть постоянной в интервале температур (T2-T1), в котором измеряется давление пара в равновесии с жидкостью.

Таким образом, если предположить, что ΔH мало изменяется в пределах малых температурных интервалов, можно использовать уравнение этой линии для прогнозирования изменений давления пара жидкости; и даже больше, его ΔH испарения может быть определено.

Чем больше рассматриваемые диапазоны температур, тем больше отклонение этого уравнения от экспериментальных данных и тем меньше оно будет верным.

Видео:Фазовые диаграммы. Тройная точка. Критическое состояние вещества. 10 класс.Скачать

Фазовые диаграммы. Тройная точка. Критическое состояние вещества. 10 класс.

Определение фазовых переходов

Таким образом, уравнение Клаузиуса-Клапейрона становится развитием касательной к линии сосуществования двух физических фаз, которая наблюдается на любой диаграмме P-T для вещества.

Если происходит изменение фазы, будет изменение крутизны, и ΔH не будет прежним. Поэтому, когда очевидны сильные отклонения и уравнение не удается в течение длительного времени, это признак того, что в данном температурном диапазоне вещество претерпевает еще один фазовый переход. Другими словами, это уже не система жидкость-пар, поскольку она проходит линию сосуществования, соответствующую равновесию твердое тело-жидкость или твердое тело-пар.

Видео:Теплофизика Л7. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Уравнение Ван-дер-ВаальсаСкачать

Теплофизика Л7.  Фазовые переходы.  Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Уравнение Ван-дер-Ваальса

Примеры использования

— Уравнение Клаузиуса-Клапейрона использовалось в метеорологии для изучения поведения облаков, даже тех, которые присутствуют на других планетах или лунах с атмосферой.

— Он использовался для определения энтальпии плавления различных металлов, таких как натрий и галлий, и для экстраполяции их давления паров при очень высоких температурах.

— Он также использовался для определения энтальпии испарения таких веществ, как газообразный хлор, четыреххлористый углерод, жидкая вода, лед и йод.

— Он также служил для изучения фазовых изменений в кристаллических структурах. В этом последнем примере интегрированное уравнение Клаузиуса-Клапейрона выглядит заметно иначе, поскольку для ΔV нельзя сделать те же соображения, что и для системы жидкость-пар. На этот раз изменения объема от одной фазы к другой невелики.

Видео:Бушина Т. А. - Молекулярная физика - Реальные газы. Уравнение Ван-дер-ВаальсаСкачать

Бушина Т. А. - Молекулярная физика - Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса

Решенные упражнения

Видео:Бушина Т. А. - Молекулярная физика - Фазовые переходыСкачать

Бушина Т. А. - Молекулярная физика - Фазовые переходы

— Упражнение 1

Давление паров льда составляет 4,58 торр при 0 ° C и 1,95 торр при -10 ° C. Какова его энтальпия сублимации в этом температурном диапазоне?

Обратите внимание, что у нас есть два давления и две температуры:

Т1 = 0 ° C + 273 = 273 К

Т2 = -10 ° C + 273 = 263 К

Мы переводим единицы температуры из ° C в K, так как газовая постоянная R имеет K в своих единицах:

Таким образом, мы используем интегрированное уравнение Клаузиуса-Клапейрона и решаем относительно ΔHсуб, который будет выглядеть так:

Для большего удобства мы перейдем к замене только числами, но зная, что последней единицей будет Джоуль:

ΔHсуб = — (8,314) Ln (1,95 / 4,58) / (1/263 — 1/273)

Или 51,07 Дж с учетом нескольких десятичных знаков. Это значение будет показывать колебания в зависимости от интервалов T2-T1 и определенное давление пара.

Видео:Термодинамика | уравнение МайераСкачать

Термодинамика | уравнение Майера

— Упражнение 2.

Температура кипения этанола при давлении 760 торр (1 атм) составляет 78,3 ° C, а его энтальпия испарения составляет 39,3 кДж. Каким будет давление его пара при температуре 46 ° C?

Т1 = 78,3 ° С + 273 = 351,3 К

Т2 = 46 ° С + 273 = 319 К

ΔHvap = 39,3 кДж или 39300 Дж

Таким образом, мы должны найти P2 интегрированного уравнения Клаузиуса-Клапейрона. Опять же, единицы измерения будут опущены для удобства, и расчеты будут проводиться поэтапно:

Ln (P2/760) = -(39300/8.314) (1/319 – 1/351.3)

Применяя экспоненциальную функцию к обеим сторонам уравнения, чтобы иметь возможность найти P2 Мы будем иметь:

Чем ниже температура (46 ° C), тем ниже давление пара (195 торр). Фактически, поскольку этанол имеет давление 760 торр при 78,3 ° C, мы говорим о его нормальной температуре кипения. Это ожидаемое поведение для всех жидкостей.

В целом упражнения Клаузиуса-Клапейрона этого типа состоят из очистки P2, Т2 или ΔH испарения или сублимации. Расчеты заметно меняются, когда необходимо учитывать ΔV, особенно когда речь идет о системах или равновесиях твердое тело-жидкость.

Видео:Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Фазовые диаграммы. Фазовые переходыСкачать

Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Фазовые диаграммы. Фазовые переходы

Ссылки

  1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
  2. Википедия. (2020). Соотношение Клаузиуса-Клапейрона. Получено с: en.wikipedia.org
  3. Государственный университет Сан-Хосе. (н.д.). Уравнение Клаузиуса-Клапейрона:
    Его вывод и применение в метеорологии. Получено с: sjsu.edu
  4. Боднер Групп. (н.д.). Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Получено с: chemed.chem.purdue.edu
  5. Чие К. и Ценсулло А. (18 мая 2020 г.). Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
  6. Уолтер Дж. Мур. (1962). Физическая химия. (Четвертый выпуск). Лонгманс.

Как мотивировать команду на работе: 8 советов

Тюк обыкновенный: характеристика, среда обитания, размножение, кормление

📸 Видео

Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Фазовое равновесиеСкачать

Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Фазовое равновесие

Второе начало термодинамики. Часть 4. Неравенство Клаузиуса.Скачать

Второе начало термодинамики. Часть 4. Неравенство Клаузиуса.

Законы Термодинамики. Что Такое Термодинамика?Скачать

Законы Термодинамики. Что Такое Термодинамика?

Консультация по термодинамике. Часть 2. Билеты 11-17Скачать

Консультация по термодинамике. Часть 2. Билеты 11-17

Лекция №6 (Булыгин В.С.)Скачать

Лекция №6 (Булыгин В.С.)

Грибов В.А. - Термодинамика и статистическая физика I - Фазовые переходы 2-го родаСкачать

Грибов В.А. - Термодинамика и статистическая физика I - Фазовые переходы 2-го рода

Грибов В.А. - Термодинамика и статистическая физика I - Равновесие фаз в ТД-системахСкачать

Грибов В.А. - Термодинамика и статистическая физика I - Равновесие фаз в ТД-системах

Лекция №6 "Фазовые переходы. Газ Ван-дер-Ваальса"Скачать

Лекция №6 "Фазовые переходы. Газ Ван-дер-Ваальса"

Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Основные понятия, свойства системыСкачать

Коробов М. В. - Физическая химия. Часть 1 - Основные понятия, свойства системы
Поделиться или сохранить к себе: