Определение теплоты испарения жидкости

Для равновесия между жидкостью и паром уравнение Клапейрона-Клаузиуса может быть получено следующим образом.

Согласно второму закону термодинамики если система находится в равновесии, то при данных условиях (Р, Т ) работа не совершается

Ap = 0; G ж - G п = 0; G ж = G п (2)

то есть свободные энергии Гиббса чистой жидкости и её пара равны (это условия равновесия).

Изменим одно из условий, определяющих равновесие, например, температуру (то есть нагреем систему на Т ), в результате этого установится новое давление, новое равновесие жидкость-пар:

G " ж = G " п (3)

или G ж = G п (4)

Если изменение внешнего параметра произойдет на бесконечно малую величину - dT , то и изобарно-изотермические потенциалы изменятся на бесконечно малую величину:

dG ж =dG п (5)

Изобарно-изотермический потенциал представляет собой свободную энергию системы и является функцией давления и температуры:

dG =VdP –SdT (6)

поэтому с его помощью можно установить количественную зависимость между давлением насыщенного пара и температурой.

После подстановки (6) в (5) имеем в состоянии равновесия

V ж dP - S ж dT = V п dP - S п dT (7)

откуда (8)

где (S п - S ж ) и (V п - V ж ) - изменение соответственно энтропии и объема системы при переходе вещества из жидкого в парообразное состояние. Согласно второму закону термодинамики изменение энтропии системы при испарении равно приведенной теплоте испарения

(9)

Подставив выражение (9) в (8) получим

(10)

где ∆H исп и ∆V исп - соответственно изменение энтальпии и объема при испарении, аT кип - температура кипения.

Уравнение (10) называется уравнением Клапейрона-Клаузиуса . Согласно (10) наклон линий на фазовой диаграмме воды (рис. 1) определяется знаком производнойdP/dT или обратной ей величиныdT/dP - характеризующей изменение температуры с увеличением дав­ления.

Из фазовых переходов рассмотрим испарение и плавление. Теплота испарения - перехода жидкой фазы в газообразную положитель­на. Молярной теплотой испарения называется количество тепла, затраченное на испарение одного моля жидкого вещества. Объем газа при испарении всегда больше соответствующего объема жидкости, то есть в уравнении (10)V п > V ж . ПоэтомуdP/dT , а значит, иdT/dP также всегда положительны (dT/dP > 0). Следовательно, температура испарения всегда повышается с ростом давления (кривая ОК на рис. 1 или см. табл. 1 Приложения). С увеличением температуры давление насыщенного пара над жидкостью возрастает, принимая максимальное значение при критической температуре. Последняя является предельной температурой (например, для воды она равна 374,12 о С) при которой возможно равновесие между жидкой и паровой фазой ве­щества. При более высоких температурах вещество может находиться только в газообразном состоянии, и понятие насыщенного пара теряет свой смысл.

Теплота плавления - перехода твердой фазы в жидкую также всегда положительна.

Рис. 1. Диаграмма состояния воды при невысоких давлениях

Области: 1 - твердая фаза (лед); II- жидкость; III - пар.

Кривые: АО - возгонки; ОК - испарения; ОВ - плавления.

О - тройная точка, отвечающая равновесию трех фаз.

Объем жидкой фазы в общем случае может быть больше или меньше объёма того же количества твердой фазы. Отсюда в соответствии с уравнением (10) вытекает, что величина dP /dT или обратная её величинаdT /dP , может быть положительной или отрицательной. Это значит, что температура плавления может повышаться или снижаться с увеличением давления. ВеличинаdT /dP положительна для большинства веществ. Она имеет отрицательное значение лишь для воды, висмута и немногих других веществ, для которых плотность жидкости при температуре плавления больше плотности твердой фазы (V ж -V т ) < 0. В связи с этим при увеличении давления температура плавления льда понижается (криваяОВ ).

Необходимо отметить, что рассмотренные закономерности справедливы для невысоких давлений.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса (10) можно преобразовать приняв следующие приближения:

1) Поскольку ∆V исп =(V п -V ж ) >> 0 (например, для воды мольный объём в парообразном состоянии при н.у.V п ≈ 22400 см 2 , а в жидком состоянииV ж ≈ 18 см 3), то без большой погрешности можно пренебречь величиной V ж и принять, что∆V исп ≈ V п .

2) При не слишком высоких давлениях и температурах (вдали от критических) можно применять уравнение состояния для идеальных газов и к реальным системам. Погрешность, получаемая при этом, оказывается незначительной.

(11)

Подставив (11) в (10) получим:

(12)

которое после преобразования

(13)

принимает вид

(14)

Теплота испарения зависит от температуры : с повышением температуры теплота испарения понижается. При критической температуре теплота испарения равна нулю. Однако при температурах, далеких от критической, изменения∆Н исп с температурой не очень велики. В не слишком большом интервале температур∆Н исп можно считать постоянной.

Интегрирование уравнения Клапейрона-Клаузиуса (14) в пределах температур Т 1 иТ 2 , которым отвечают давленияР 1 иР 2 при постоянном значении ∆Н исп , дает

(15)

или при переходе к десятичным логарифмам

(16)

(R - универсальная газовая постоянная равная 8,314 Дж/моль · К).

Уравнения (15), (16) позволяют рассчитать теплоту испарения. Для этого по экспериментальным данным строят зависимость l n P =f (1/T ) илиlgP =f (1/T ) и на полученной прямой выбирают две точки (рис. 2). Подставляют соответствующие этим точкам значения логарифма давления и обратной температуры в уравнение (17):

(17)

Значение∆Н исп по уравнению (17) зависит от взятого интервала температур и тем ближе к истинному, чем этот интервал меньше. Однако для такого вычисления требуется весьма точное измерение температуры кипения и давления пара.

Для вычисления∆Н исп в относительно широком интервале температур (50...100 о С) следует выбирать точки, наиболее точно укладывающиеся на прямую lgP =f (1/T ).

Температура кипения жидкости, давление пара при данной тем­пературе и теплота испарения являются специфическими константами вещества , значения которых необходимы для многих теоретических и практических расчетов. На основе этих данных можно определять чистоту химических веществ, провести расчет разделения смесей путем перегонки, рассчитать энергетические затраты на испарение жидкости, необходимые для проведения реакции в газовой фазе.

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.

УРАВНЕНИЯ КЛАПЕЙРОНА И КЛАУЗИУСА-КЛАПЕЙРОНА

Как следует из правила фаз Гиббса, число независимых интенсивных переменных в двухфазной однокомпонентной системе равно единице. Поэтому должно существовать уравнение, связывающее р и Тв такой системе. Эта связь является следствием условия равновесия фаз:

где обозначение р(р, Т) подчеркивает, что химический потенциал каждой фазы является функцией риТ.

Если бы зависимость р от р и Т была известна в явном виде, то (3.7) можно было бы в принципе решить относительно р или Т и найти зависимостьр = р{Т) или Т = Т(р). Однако в общем случае зависимость р отр и 7"не известна и сделать этого нельзя. Но можно найти производнуюр по Т (или обратную ей).

Предположим, что две фазы а и b одного вещества находятся в равновесии. Если изменить температуру на величину d7", то давление должно измениться так, чтобы химические потенциалы обеих фаз изменились одинаково, не нарушая условия равновесия (3.7), т.е.:

Раскладывая оба дифференциала по переменным Тир, получим

Вместе с соотношениями (2.31) это дает:

Из этого получается:

где Дф П? - энтропия фазового перехода; А фп У=У^ - - молярный

объем фазового перехода (изменение молярного объема при Т = const, р = const).

Энтропия и энтальпия фазового перехода связаны между собой соотношением (3.5): AS = АН/Т. Поэтому (3.9) можно записать в следующей форме:

где Т - температура фазового перехода.

Уравнения (3.9) и (3.10) эквивалентны и любое из них называется уравнением Клапейрона.

Практическое применение уравнения Клапейрона ограничено тем, что энтальпия фазового перехода и молярные объемы фаз зависят от температуры у разных фаз по-разному. Это значит, что не существует общего способа интегрирования этого уравнения. Но для малых интервалов температуры эти уравнения можно интегрировать с точностью, достаточной для многих целей, приняв те или иные приближения.

Первое приближение состоит в том, что для узкого интервала температуры энтальпию фазового перехода можно принять приблизительно постоянной. То же можно сделать в отношении молярных объемов конденсированных фаз - твердых и жидких, так как они слабо зависят от Тир. Тогда для фазовых равновесий между твердыми фазами и между твердой и жидкой фазами изменение молярного объема можно принять также постоянным. С этими приближениями (3.10) интегрируется так (для плавления):

Аналогично для равновесий между твердыми фазами.

Молярный объем газовой фазы нельзя считать постоянным. Но для случая невысоких давлений возможны другие приближения. Во-первых, молярный объем газа при небольших давлениях много больше молярного объема любой конденсированной фазы (к.ф). Поэтому для испарения можно принять:

Во-вторых, при небольших давлениях многие газы имеют

тт т^газ КТ д __ ЯТ

свойства, близкие к идеальным. Поэтому ~-и Л исп к т ~-.

Подставив это в уравнение (3.10), получим:

Так как &р/р = с!1пр, получается соотношение, называемое уравнением Клаузиуса-Клапейрона:

Оно применимо к испарению как жидкой, так и твердой фазы (сублимация).

В приближении постоянной энтальпии фазового перехода это уравнение интегрируется так:

Для применения этих уравнений часто используются данные об энтальпиях фазовых переходов и температурах фазовых переходов при нормальном давлении. Они приводятся во многих справочниках физико-химических величин. Нормальным давлением называется величина 101 325 Па = 101,325 кПа = 1,01325 бар = 1 атм = = 760 мм рт. ст. = 760 Торр. Данные из справочников служат основой для приблизительных вычислений с помощью уравнений (3.11) и (3.13) при давлениях, не сильно отличающихся от нормального.

Молярные объемы конденсированных фаз, необходимые для вычислений по уравнению (3.11), обычно не приводятся в справочниках. Но вместо них можно найти данные о плотностях р. Их можно использовать для вычисления молярных объемов, зная определения У т = У/п, р = т/У и М = т/п. Из них следует: У т = М/ р, где М - молярная масса.

С другой стороны, некоторые справочники дают удельные теплоты фазовых переходов. Для этого случая уравнение (3.10) может быть записано в следующей форме:

где Аф п /г и Аф П у - изменения удельной энтальпии и удельного объема соответственно при фазовом переходе (причем v= 1/р).

Если энтальпия испарения не известна, то иногда ее можно оценить приблизительно по эмпирическому правилу Трутона, согласно которому молярная энтропия испарения большинства жидкостей равна приблизительно 90 Дж К -1 моль -1 . Так как Дфп^ - АфпЯ/Г, Л исп Я/Дж моль -1 = 90(Г М /К), где 7^ - температура кипения при нормальном давлении. Подставив это значение энтальпии испарения в (3.13) и приняв для р х нормальное давление 1 атм, а для температуры Т ! нормальную температуру кипения Т получим для равновесного давления пара над жидкостью:

Правило Трутона не применимо к жидкостям с высокой полярностью и особенно к ассоциированным жидкостям, таким как вода и спирты. (Ассоциированные жидкости - жидкости, молекулы которых взаимодействуют между собой посредством водородных связей.) Правило является удовлетворительным только в применении к неполярным веществам, причем с температурой кипения, не выходящей за пределы интервала приблизительно от 150 до 1000 К.

Клапейрона - Клаузиуса уравнение

термодинамическое уравнение, относящееся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую (испарение, плавление, сублимация, полиморфное превращение и др.). Согласно К. - К. у., Теплота фазового перехода (например, теплота испарения, теплота плавления) при равновесно протекающем процессе определяется выражением

где Т - температура перехода (процесс изотермический), dp/dT - значение производной от давления по температуре при данной температуре перехода, (V 2 -V 1 ) - изменение объёма вещества при переходе его из первой фазы во вторую.

Первоначально уравнение было получено в 1834 Б. П. Э. Клапейрон ом из анализа Карно цикл а для конденсирующегося пара, находящегося в тепловом равновесии с жидкостью. В 1850 P. Клаузиус усовершенствовал уравнение и распространил его на др. фазовые переходы. К. - К. у. применимо к любым фазовым переходам, сопровождающимся поглощением или выделением теплоты (т. н. фазовым переходом 1 рода), и является прямым следствием условий фазового равновесия (См. Фазовое равновесие), из которых оно и выводится.

К. - К. у. может служить для расчёта любой из величин, входящих в уравнение, если остальные известны. В частности, с его помощью рассчитывают теплоты испарения, экспериментальное определение которых сопряжено со значительными трудностями.

Часто К. - К. у. записывают относительно производных dp/dT или dT/dp:

Для процессов испарения и сублимации dp/dT выражает изменение давления насыщенного пара р с температурой Т, а для процессов плавления и полиморфного превращения dT/dp определяет изменение температуры перехода с давлением. Иными словами, К. - К. у. является дифференциальным уравнением кривой фазового равновесия в переменных р, Т.

Для решения К. - К. у. необходимо знать, как изменяются с температурой и давлением величины L, V 1 и V 2 , что представляет сложную задачу. Обычно эту зависимость устанавливают эмпирически и решают К. - К. у. численно.

К. - К. у. применимо как к чистым веществам, так и к растворам и отдельным компонентам растворов. В последнем случае К. - К. у. связывает парциальное давление насыщенного пара данного компонента с его парциальной теплотой испарения.

Ю. И. Поляков.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Клапейрона - Клаузиуса уравнение" в других словарях:

КЛАПЕЙРОНА МЕНДЕЛЕЕВА УРАВНЕНИЕ, уравнение состояния (см. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ) для идеального газа (см. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ), отнесенное к 1 молю (см. МОЛЬ) газа. В 1874 Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) на основе уравнения Клапейрона… … Энциклопедический словарь

КЛАПЕЙРОНА-КЛАУЗИСА УРАВНЕНИЕ - термодинамическое уравнение, относящееся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую (испарение, плавление, полиморфное превращение и др.). Согласно Клапейрона Клаузиса уравнения теплота фазового перехода (например, теплота плавле … Металлургический словарь

Ур ние состояния идеального газа, устанавливающее связь между его объемом V. давлением ри абс. т рой Т. Имеет вид: pV=nRT. где п число молей газа, R =8,31431 Дж/моль. К) газовая постоянная. Для 1 моля газа pv=RT, где v молярный объем. К. М. у.… … Химическая энциклопедия

Уравнение состояния Статья является частью серии «Термодинамика». Уравнение состояния идеального газа Уравнение Ван дер Ваальса Уравнение Дитеричи Разделы термодинамики Начала термодинамики Уравнен … Википедия

- (Клапейрона Менделеева уравнение), зависимость между параметрами идеального газа (давлением р, объёмом V и абс. темп рой Т), определяющими его состояние: pV=BT, где коэфф. пропорциональности В зависит от массы газа М и его мол. массы. Установлен… … Физическая энциклопедия

Уравнение состояния Стат … Википедия

- (Клапейрона Менделеева уравнение), зависимость между давлением p, абсолютной температурой T и объемом V идеального газа массы M: pV=BT, где B=M/m (m масса молекулы газа в атомных единицах массы). Установлена французским ученым Б.П.Э. Клапейроном… … Современная энциклопедия - Клапейрона Менделеева уравнение, найденная Б. П. Э. Клапейроном (1834) зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа: давлением газа р, его объёмом V и абсолютной температурой Т. К. у.… … Большая советская энциклопедия

Клапейрона Менделеева уравнение [по имени франц. физика Б. Клапейрона (В. Clapeyron; 1799 1864) и рус. химика Д. И. Менделеева (1834 1907)], ур ние состояния идеального газа: pVm =RT, где р давление, Т термодинамическая температура газа, Vm… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Две любые фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии лишь при определенном давлении, величина которого зависит от температуры. Для двухфазной равновесной однокомпонентной системы является функцией температуры. Эта зависимость выражается уравнением Клапейрона – Клаузиуса :

где — удельная теплота фазового перехода из первой фазы во вторую, – разность удельных объемов фаз.

Уравнение 1 связывает производную от равновесного давления по температуре с теплотой перехода, температурой и разностью удельных объемов фаз, находящихся в . Согласно уравнению (1) знак производной зависит от того, каким изменением объема – возрастанием или уменьшением сопровождается фазовый переход. При испарении жидкости или твердого тела объем всегда увеличивается, поэтому для кривых испарения и сублимации title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="23" width="54" style="vertical-align: -6px;">, увеличение температуры ведет к увеличению равновесного давления. При плавлении, как правило, объем увеличивается, что означает, что повышая давление мы увеличиваем температуру плавления. Но здесь есть исключения, например, лед-вода. Объем жидкой фазы (воды) меньше, объема льда. Лед можно расплавить, не повышая температуру выше , просто увеличивая давление.

Если вторая фаза является идеальным газом, то уравнение Клапейрона – Клаузиуса имеет вид:

где – теплота испарения для одного моля вещества, молярная которого равна .

Решение уравнения Клапейрона — Клаузиуса

Решением уравнения (2) будет:

где Q – количество теплоты, необходимое для фазового перехода

Строго говоря, общий вид функции p(T), то есть уравнение (1), был установлен Клапейроном, при анализе цикла Карно для конденсирующегося пара, который находится в равновесии с жидкостью, а Клаузиус упростил его до уравнения (2) предположив, что вторая фаза вещества (пар) – идеальный газ и молярный объем жидкости много меньше, чем молярный объем газа (пара). Кроме того, Клаузиус распространил уравнение (1) для других фазовых переходов, которые сопровождаются теплопередачей.

Уравнение 1 и 2 часто используются для расчета теплоты испарения или возгонки (это трудно установить экспериментально).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Фазовый переход некоторого вещества происходит при температуре T, при атмосферном давлении. Удельная теплота превращения q. Скачок удельного объема данного вещества при фазовом превращении Найти смещение точки фазового перехода данного вещества при изменении давления на .
Решение	При заданных условиях уравнение Клапейрона – Клаузиуса можно записать в следующем виде: Из этого уравнения легко выразить искомое смещение температуры, точки фазового перехода при изменении :
Ответ	Смещение точки фазового перехода при заданных условиях можно найти используя соотношение

ПРИМЕР 2