Уравнение Клапейрона – Клаузиуса. Уравнение клапейрона - клаузиуса Соотношение клапейрона клаузиуса

Вычисление теплоты парообразования с использованием молекулярных параметров всегда связано с допущениями. Оно является приближенным и пригодным при выполнении ряда условий. Существует однако фундаментальное уравнение Клапейрона - Клаузиуса, связывающее теплоту парообразования с другими термодинамическими характеристиками системы и полученное строго на основе второго начала термодинамики.

Пусть рабочим веществом, совершающим цикл Карно, является двухфазная система жидкость-насыщенный пар. Начальное состояние такой системы изобразим точкой 1 на рисунке 8.17. Проведем изобарно-изотермическое расширение системы при температуре из состояния 1 в состояние 2. При этом некоторая масса жидкости испарится и соответственно поглотится из термостата теплота равная теплоте парообразования жидкости. Разность объемов в точках 2 и 1 равна разности объемов в газообразном и жидком состояниях для испарившейся массы вещества: Из состояния 2 двухфазная система адиабатически переводится в состояние 3 с меньшей температурой 7%. Из состояния 3 рабочее вещество изобарно-изотермически переводится в состояние 4, при этом часть паров конденсируется и в холодильник выделяется теплота Из состояния 4 двухфазная система адиабатическим сжатием переводится в начальное состояние. Работа цикла равна:

где КПД цикла

При малых разностях температур (давлений) работа цикла равна:

Используя (83.3) и (83.2), перепишем (83.1):

Заменяя и перейдя к пределу, получим:

Это соотношение было найдено французским инженером Клапейроном (1832 г.) до установления первого начала термодинамики.

Современный вывод этого уравнения был дан Клаузиусом, поэтому оно носит название уравнения Клапейрона - Клаузиуса. Это уравнение позволяет вычислить теплоту парообразования (удельную, мольную), если известна зависимость давления насыщенного пара от температуры, и объемы жидкости и пара (удельные, мольные).

Производная определяется по экспериментально найденной зависимости (зависимости давления насыщенного пара от температуры).

Уравнение Клапейрона - Клаузиуса справедливо не только для перехода жидкость - пар, но и для всех других фазовых переходов. Оно выражает изменение давления, при котором фазы находится в равновесии, с изменением температуры. Так, для плавления уравнение (83.4) принимает вид

В системе, состоящей из нескольких фаз чистого вещества, возможны переходы вещества из одной фазы в другую. Такие переходы называют фазовыми переходами. Фазовые переходы характеризуются зависимостью температуры фазового превращения от внешнего давления или давления насыщенного пара от температуры системы. Уравнение, характеризующее такие зависимости, предложено Клапейроном и и позже модифицировано Клаузиусом.

Пусть 1 моль вещества равновесно переходит из одной фазы (1) в другую (2) при р, Т = const. Ограничимся рассмотрением фазовых переходов первого рода, для которых характерно равенство изобарных потенциалов двух фаз и скачкообразное изменение энтропии S и объёма V .

К фазовым переходам первого рода относятся следующие изотермические переходы:

(испарение),

(сублимация),

(плавление, кристаллизация).

Условием равновесием является равенство мольных энергий Гиббса вещества в двух фазах: G 1 = G 2 . Если р и Т одновременно изменяются на dp и dT , то G тоже изменится на dG и новое условие равновесия запишется как

Из соотношения (2.40) следует, что

Т. е. . (14)

С учетом того, что

где DV = V 2 - V 1 — разность мольных объёмов двух фаз, DS и DH - изменение энтропии и энтальпии вещества при переходе 1 моля вещества из одной фазы (1) в другую (2). Уравнение (4.16) называют уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Оно устанавливает связь между изменением температуры фазового перехода с изменением внешнего давления или изменением давления насыщенного пара с изменением температуры, с одной стороны, и теплотой фазового перехода и изменением объёма вещества при фазовом переходе, с другой стороны.

1) Рассмотрим применение уравнения (4.16) к процессам плавления . В этом случае уравнение Клапейрона-Клаузиуса обычно используют в следующей форме:

Поскольку D пл Н > 0, знак производной зависит от знака DV . Для большинства веществ

> 0 > 0,

вправо.

Для немногих веществ, в том числе для воды, висмута , галлия , чугуна :

< 0 < 0,

что соответствует наклону кривой для этого фазового перехода влево .

Итак, если при плавлении вещества его мольный объем уменьшается,то

т. е. при увеличении внешнего давления температура плавления вещества уменьшается.

Если плавление сопровождается увеличением мольного объема, то

т. е. при увеличении внешнего давления температура плавления вещества тоже увеличивается.

2). Рассмотрим применение уравнения (4.16) к процессам испарения и сублимации .

Для процессов испарения или сублимации уравнение Клапейрона-Клаузиуса записывают в виде

, (18)

где V K — объем конденсированной фазы (жидкости V Ж или твердого тела V ТВ). При температуре, гораздо ниже критической (при Т КР: V Ж = V П), можно пренебречь объёмом жидкой фазы по сравнению с объёмом того же весового количества пара. В результате уравнение (18) преобразуется в

При невысоких давлениях и температурах к пару можно применить законы идеальных газов () и исключить из уравнения (19) объём пара. Тогда

. (20)

Окончательно для процесса испарения или сублимации получаем (дифференциальную) форму уравнения Клапейрона- Клаузиуса :

. (21)

Если принять D пар Н постоянной величиной (что возможно для небольших температурных интервалов), то после интегрирования уравнения (21) получаем интегральную форму уравнения Клапейрона-Клаузиуса:

, (22)

. (23)

Эти уравнения устанавливает в явном виде связь теплоты парообразования вещества с зависимостью давления насыщенного пара от температуры.

Итак, для процессов парообразования ,

т. е с увеличением температуры растет давление насыщенного пара вещества.

В отличие от температуры плавления, температура кипения очень сильно зависит от давления, что связано с большой величиной DV , которой сопровождаются процессы испарения и сублимации.

В отличие от теплоты парообразования, которая изменяется в широких пределах, энтропия парообразования - величина более или менее постоянная. Для многих неорганических и органических веществ выполняется правило Трутона :

89 Дж/(моль К), (24),

где Т н.т.кип. - нормальная температура кипения жидкости, т.е. температура кипения при внешнем давлении, равном 1 атм.

Теплота испарения возрастает по мере роста температуры и давления пара.

Чаще всего уравнение Клапейрона—Клаузиуса используется для простого расчета или измерения теплоты испарения различных веществ. Измеряя давление пара при различных температурах и нанося его на график, по одной оси которого откладывается значение lnp , а по другой — величина 1/Т , ученые по полученной линейной зависимости (углу наклона прямой) определяют теплоту испарения вещества.

Benoît Paul Émile Clapeyron, 1799-1864

Французский физик и инженер. Родился Париже. Окончил Политехническую школу и Школу минного дела. В 1820-1830 гг. работал в Институте инженеров путей сообщения в Петербурге. По возвращении во Францию стал профессором Школы мостов и дорог в Париже. Прославился как проектировщик железных дорог, конструктор железнодорожных мостов и паровозов. Доказал «теорему о трех моментах», используемую для расчета несущих конструкций с тремя и более точками опоры. Однако самый большой вклад Клапейрона в науку внес благодаря изучению тепловых процессов, за что и был избран действительным членом Академии наук Франции.

Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822-88

Немецкий физик. Родился в Кёслине (ныне Кошалин, Польша) в семье пастора. Учился в частной школе, директором которой был его отец. В 1848 году окончил Берлинский университет. По окончании университета предпочел физику и математику истории, которую первоначально изучал, преподавал в Берлине и Цюрихе, занимал кафедру профессора физики университетов в Цюрихе, Вюрцбурге и Бонне. С 1884 года — ректор Боннского университета. Главные работы Клаузиуса посвящены основам термодинамики и кинетической теории газов. К сожалению, тяжелые ранения, полученные во время службы добровольцем в качестве санитара во время Франко-прусской войны, помешали Клаузиусу в полной мере реализовать свой научный потенциал. Тем не менее, уже после войны и ранений, именно он сформулировал второе начало термодинамики в его современном виде.

При переходах индивидуального вещества из одного агрегат­ного состояния в другое каждому давлению соответствует опреде­ленная температура, при которой фазы находятся в состоянии термодинамического равновесия. Зависимость давления фазового перехода от температуры описывается уравнением Клапей­рона-Клаузиуса, выведенном на основе второго закона термоди­намики. Для вывода этого уравнения рассмотрим в р- v μ -коорди­натах элементарный цикл, соответствующий площади 1-2-3-4 (рис. 30).

Предположим, что в точке f находится 1 кмоль рабочего тела, например жидкости. В процессе, соответствующем линии 1-2, при постоянном давлении подводится теплота и при постоянной

температуре происходит превраще­ние жидкости в пар. Следовательно, процесс, соответствующий линии 1-2, является изобарно-изотермическим. Жидкость, превращаясь в пар, увеличивается в объеме от V" μ , в точке 1 до V"" μ , в точке 2. В точке 2 вся жидкость превратится в пар. Паро­образование происходит за счет подведенной теплоты Q 1 , равной теплоте парообразования (r).

Пусть из точки 2 пар расширяется по адиабате до объема, со­ответствующего объему в точке 3, при незначительном изменении давления от р до (р-dp).. Температура при этом уменьшится от Т до (Т-dT). Затем при постоянных температуре (Т -dT) и дав­лении (р - dp) осуществим сжатие пара до объема, соответствую­щего точке 4. В точке 4 весь пар сконденсируется -превратится в жидкость.

Отводимая теплота в процессе, соответствующем линии 3-4, равна Q 2 = Q 1 - δQ .

Заменим процесс 4-1 адиабатным процессом 4"-1 перехода жидкости в состояние, соответствующее точке 1. Из-за малой ве­личины dp изменением разности объемов (V" μ - V" μ) и (V 3 μ - V 4 μ ,) можно пренебречь. Тогда цикл 1-2-3-4 превращается в эле­ментарный цикл Карно 1-2-3-4", для которого справедливы равенства

δL = (V" μ - V" μ) dp

η t = [Т - (T - dT)]/T = dT/T .

Так как термический КПД цикла Карно можно записать также в виде η t = δL/Q l то, заменив в этом равенстве Q 1 нa r и прирав­няв правые части полученных для η t соотношений, можно записать

δL/r = dT/T

Подставив вместо δL полученное значение, получим

[(V" μ - V" μ) dp]/r = dt/T

dp/dT = r/. (173)

Уравнение (173) называется уравнением Клапейрона-Клаузиуса. С помощью этого уравнения определяют давление или температуру при переходе индивидуального вещества из жидкого состояния в газообразное, а также объем (применительно к пару) и теплоту парообразования. Для любого другого фазового перехода вещества из одного состояния в другое в уравнении (173) следует заменить r на λ - теплоту фазового перехода (из различных фаз) в условиях равновесия. Тогда

dp/dT = λ/ (174)

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса (174) можно вывести и другим путем, исходя из равенства химических потенциалов при равновесии.

Как было показано ранее, условием равновесия двухфазной системы (при одинаковых давлении и температуре обеих фаз) является равенство их химических потенциалов (см. рис. 25), т. е. μ" = μ" , где μ" и μ" - химические потенциалы индивидуаль­ного вещества соответственно в первой и во второй фазах.

Так как для однокомпонентной системы химический потенциал равен киломольной энергии Гиббса μ = G/n , то условие равнове­сия можно записать в виде dG"/dn" = dG"/dn".

Учитывая что уменьшение количества вещества в одной фазе должно равняться увеличению его в другой фазе, условие равно­весия можно также записать в виде равенства энергий Гиббса в первой и во второй фазах, т. е. dG" = dG" . Выразив dG" и dG" через соответствующие параметры (110), получим

V" μ dp - S"dT = V"" μ dp - S"dT .

dp/dT = (S"" - S")/ (V" μ - V" μ)

Учитывая, что приращение энтропии равно ΔS = ΔQ/T , и заменяя в полученном уравнении теплоту, подводимую на участке про­цесса перехода вещества из одной фазы в другую через λ, получим уравнение Клапейрона-Клаузиуса (174):

dp/dT = λ/.

При рассмотрении процесса парообразования объемом жидкости V" μ можно пренебречь вследствие малости его по сравнению с объ­емом пара V" μ . Тогда уравнение (174) можно записать в виде

dp/dT=λp/T V" μ (175)

Если при этом заменить объем пара из уравнения Менделеева- Клапейрона (2) на RT/p , то уравнение Клапейрона-Клаузиуса будет иметь вид

dp/dT = λp/RT 2

или, перенеся р в левую часть равенства и заменив dp/p на d (ln p) , получим

d (In p)/dT = λ/RT 2 . (176)

(177)

где С = const.

Если сделать еще одно допущение, т. е. принять, что λ не за­висит от температуры (λ = const) и проинтегрировать уравнение (177), то для небольшого интервала температур приближенная зависимость давления от температуры имеет вид

lg р = - λ/2,303RТ + С

(178)

где С = const.

Таким образом, по формуле (178) с достаточной для практики точностью можно определить теплоту парообразования (или другого фазового перехода) по известным р 1 и р 2 , соответствующим им температурам T 1 и Т 2 при небольшом их перепаде.

Уравнение (173) Клапейрона-Клаузиуса характеризует фазо­вые переходы, сопровождающиеся поглощением или выделением теплоты. Такие переходы обусловлены равенством энергии Гиббса двух находящихся в равновесии фаз и скачкообразным изменением первых ее производных, т. е. объема V = (дG/дp ) T и энтропии S = - (дG/дp ) р.

Эти переходы называются фазовыми переходами первого рода (к ним относятся испарение и конденсация, плавление и кристал­лизация) и, следовательно, уравнение Клапейрона-Клаузиуса отражает особенности перехода первого рода.

Кроме фазовых переходов первого рода существуют также фазовые переходы второго рода. Впервые представления о перехо­дах второго рода высказал Эренфест, объясняя явления перехода гелия из одного состояния в другое.

Для переходов второго рода характерным является отсутствие выделения и поглощения теплоты и, как следствие, равенство объ­ема и энтропии сосуществующих в равновесии фаз. Для этих пере­ходов характерно также скачкообразное изменение вторых произ­водных энергии Гиббса, которыми являются такие физические величины, как теплоемкость

μc p = - T(д 2 G/дT 2) p

коэффициент термического расширения

и коэффициент сжимаемости

Продифференцируем обе стороны условия равновесия

по температуре. При этом, разумеется, надо помнить, что давление Р - не независимая переменная, а функция температуры, определяемая этим самым уравнением. Поэтому пишем:

и, поскольку (см. (24,12)), получаем

где - молекулярные энтропии и объемы обеих фаз.

В этой формуле разность удобно выразить через теплоту перехода из одной фазы в другую. Подставляя находим формулу Клапейрона-Клаузиуса

(82,2)

Она определяет изменение давления находящихся в равновесии фаз при изменении температуры, или, другими словами, изменение давления с температурой вдоль кривой равновесия фаз. Та же формула, написанная в виде

определяет изменение температуры перехода между двумя фазами (например, точки замерзания или кипения) при изменении давления.

Так как молекулярный объем газа всегда больше объема жидкости, а при переходе жидкости в пар тепло поглощается, то, следовательно, температура кипения при увеличении давления всегда повышается . Точка же замерзания при увеличении давления повышается или понижается, смотря по тому, увеличивается или уменьшается объем при плавлении.

Все эти следствия формулы (82,2) находятся в полном согласии с принципом Ле-Шателье. Рассмотрим, например, жидкость, находящуюся в равновесии со своим насыщенным паром. Если увеличить давление, то температура кипения должна повыситься, вследствие чего часть пара перейдет в жидкость, что в свою очередь повлечет за собой уменьшение давления, т. е. система как бы противодействует выводящему ее из равновесия воздействию.

Рассмотрим частный случай формулы (82,2), когда речь идет о равновесии твердого или жидкого тела с его паром. Формула (82,2) определяет тогда изменение давления насыщенного пара с температурой.

Объем газа обычно значительно больше объема конденсированного тела, содержащего столько же частиц. Поэтому мы можем пренебречь в (82,2) объемом по сравнению с объемом (мы считаем второй фазой газ), т. е. принять Рассматривая пар как идеальный газ, выразим его объем через давление и температуру согласно формуле ; тогда или

Отметим, что в интервалах температуры, в которых теплоту перехода можно считать постоянной, давление насыщенного пара меняется с температурой по экспоненциальному закону

Задачи

1. Определить теплоемкость пара вдоль кривой равновесия жидкости и ее насыщенного пара (т. е. теплоемкость для процесса, при котором жидкость все время находится в равновесии со своим насыщенным паром). Пар считается идеальным газом.

Решение. Искомая теплоемкость h равна

где - производная вдоль кривой равновесия, т. е.

Подставляя для выражение (82,3) и находим