物理
克劳修斯——克拉伯龙方程
March 14, 2026
· Updated March 15, 2026
描述了单组分系统在相平衡(如液滴与环境水汽平衡)时,饱和水汽压(es)随温度(T)变化的速率。其基本形式为:
dTdes=T(v2−v1)L
克劳修斯-克拉伯龙方程的推导
推导的核心起点是吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)。单位物质的吉布斯函数通常称为化学势,用 μ 表示。
μ=u+pα−Ts
dμ=−sdT+αdp
其中:
- u 为单位物质的内能
- p 为压力
- α 为单位物质的体积
- T 为温度
- s 为单位物质的熵
根据热力学理论,当水和水汽两相平衡时,必须满足热平衡条件、力学平衡和相变平衡:
T1=T2=Tp1=p2=pμ1=μ2
当沿着相平衡曲线由 (T,p) 移动到 (T+dT,p+dp) 时,两相的化学势必须保持相等:
dμ1=dμ2
代入 dμ 的表达式:
−s1dT+α1dp=−s2dT+α2dp
整理得到:
(s2−s1)dT=(α2−α1)dp
dTdp=α2−α1s2−s1
其中:
- s2−s1 为相变潜热 L 除以温度 T:
L=T(s2−s1)
- α2−α1 为相变体积差 Δα:
Δα=α2−α1
于是得到克劳修斯-克拉伯龙方程:
dTdp=TΔαL
饱和水汽压的计算
对于水和水汽的平衡,有:
dTdes=T(vv−vl)Lv
其中:
- es 为饱和水汽压
- Lv 为水汽的汽化潜热
- vv 为水汽的单位体积
- vl 为液态水的单位体积
由于 vv≫vl,可以忽略 vl:
dTdes=TvvLv
根据理想气体状态方程:
vv=esRvT
代入上式:
dTdes=RvT2Lves
整理得到:
esdes=RvT2LvdT
积分得到:
lnes=−RvTLv+C
其中 C 为积分常数,可以通过实验数据确定。