物理

克劳修斯——克拉伯龙方程

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(ese_s)随温度(TT)变化的速率。其基本形式为:

desdT=LT(v2v1)\frac{de_s}{dT} = \frac{L}{T(v_2 - v_1)}

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\mu 表示。

μ=u+pαTs\mu = u + p\alpha - Ts

dμ=sdT+αdpd \mu = -s dT + \alpha dp

其中:

  • uu 为单位物质的内能
  • pp 为压力
  • α\alpha 为单位物质的体积
  • TT 为温度
  • ss 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\begin{align*} T_1 = T_2 = T\\ p_1 = p_2 = p\\ \mu_1 = \mu_2 \end{align*}

当沿着相平衡曲线由 (T,p)(T,p) 移动到 (T+dT,p+dp)(T+dT, p+dp) 时,两相的化学势必须保持相等:

dμ1=dμ2d\mu_1 = d\mu_2

代入 dμd\mu 的表达式:

s1dT+α1dp=s2dT+α2dp-s_1 dT + \alpha_1 dp = -s_2 dT + \alpha_2 dp

整理得到:

(s2s1)dT=(α2α1)dp(s_2 - s_1)dT = (\alpha_2 - \alpha_1)dp

dpdT=s2s1α2α1\frac{dp}{dT} = \frac{s_2 - s_1}{\alpha_2 - \alpha_1}

其中:

  • s2s1s_2 - s_1 为相变潜热 LL 除以温度 TT

L=T(s2s1)L = T(s_2 - s_1)

  • α2α1\alpha_2 - \alpha_1 为相变体积差 Δα\Delta \alpha

Δα=α2α1\Delta \alpha = \alpha_2 - \alpha_1

于是得到克劳修斯-克拉伯龙方程:

dpdT=LTΔα\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T\Delta \alpha}

饱和水汽压的计算

对于水和水汽的平衡,有:

desdT=LvT(vvvl)\frac{de_s}{dT} = \frac{L_v}{T(v_v - v_l)}

其中:

  • ese_s 为饱和水汽压
  • LvL_v 为水汽的汽化潜热
  • vvv_v 为水汽的单位体积
  • vlv_l 为液态水的单位体积

由于 vvvlv_v \gg v_l,可以忽略 vlv_l

desdT=LvTvv\frac{de_s}{dT} = \frac{L_v}{T v_v}

根据理想气体状态方程:

vv=RvTesv_v = \frac{R_v T}{e_s}

代入上式:

desdT=LvesRvT2\frac{de_s}{dT} = \frac{L_v e_s}{R_v T^2}

整理得到:

deses=LvRvT2dT\frac{de_s}{e_s} = \frac{L_v}{R_v T^2} dT

积分得到:

lnes=LvRvT+C\ln e_s = -\frac{L_v}{R_v T} + C

其中 CC 为积分常数,可以通过实验数据确定。