相與相變
克勞修斯–克拉佩龍方程
/ KLOW-zee-us kla-pay-RON /
你在廚房裡早就熟悉這個規律了:溫度稍微高一點,液體蒸發起來就積極得多。克勞修斯–克拉佩龍方程把這種直覺變成了數字。它定量地告訴你:隨著溫度升高,液體的蒸氣壓如何攀升——而且攀升得很陡,是指數式上升、而非緩緩上升。
這個方程是克拉佩龍方程的一個精簡版本,專門針對液體(或固體)變成氣體的情形。為了得到它簡潔的形式,它做了兩個合理的近似:蒸氣當作理想氣體,液體的體積與蒸氣相比小到可忽略。結果就把兩樣東西——使物質汽化所需的熱(它的汽化焓)和溫度——聯繫起來,讓你只要知道某一溫度下的蒸氣壓,就能預測任意溫度下的蒸氣壓。
這讓它真正好用。在兩個溫度下測出蒸氣壓,你不用量熱計就能算出汽化焓;知道這個焓和一個沸點,你就能預測在不同壓強下——比如高海拔——的沸點。它是物理化學中最常用的實用方程之一,不過它的近似在臨界點附近會失效,因為那裡的蒸氣已不再是理想氣體。
已知水在海平面沸於 100 °C,又知其汽化焓(約 40.7 kJ/mol),這個方程便能預測:在氣壓更低的丹佛,水應在約 93 °C 沸騰——這與當地廚師的實際經驗吻合。
由一個沸點加上汽化熱,預測另一個沸點。
克勞修斯–克拉佩龍方程是精確的克拉佩龍方程在蒸氣情形下的近似表親。它假設蒸氣是理想氣體、液體體積可忽略,所以在遠離臨界點時很好用,越靠近臨界點就越不準。
又稱
另見