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LECTURE 10 · 2026/10/15

相界线、Clapeyron方程与相变类型

Physical transformations of pure substances

知识体系详实应试笔记课件配图22题测验

1. 知识体系:从dμ推到相界线

第9课确定稳定相的μ最低、共存两相μ相等。这一课进一步问:改变温度或压力后,怎样继续维持相平衡?核心路径是dμ=Vm dp−Sm dT、共存线上的dμα=dμβ、Clapeyron斜率,再根据气体近似得到Clausius–Clapeyron方程。

任务条件结果
加压改变稳定性恒温,比较两相Vm较小摩尔体积的相更受升压有利
加压改变蒸气分压液体承压与蒸气分压分别记号Poynting压力修正
沿两相共存线改变温压μ相等且微小变化仍相等Clapeyron方程
估计沸点与蒸气压理想蒸气、液体体积可忽略Clausius–Clapeyron近似
判断相变阶数观察G及其导数连续性一阶、连续转变与λ异常分开

本页覆盖合集PDF第12–23页。字母约定:小写p表示压力;p*表示不额外加压时的平衡蒸气压;Pℓ表示液体承受的总压;ΔP=Pℓ−p*表示相对参考液体压力的改变量。

2. 恒温加压:摩尔体积决定μ的变化

(∂μ∂p)T=Vm;Δμ=∫p₁p₂Vmdp ≈ VmΔp

因为摩尔体积为正,升压会使各相μ上升。比较稳定性却要看哪一相上升得更多:Vm大的相受罚更大,Vm小的相相对有利。近似式要求温度固定、摩尔体积在压力范围内变化不大。

加压改变固、液两相μ–T交点。普通物质与普通冰I的熔点变化方向不同。
课件PDF第13页上半页。加压改变固、液两相μ–T交点。普通物质与普通冰I的熔点变化方向不同。

一般熔化时液体体积更大,所以升压提高熔点;普通冰I熔化体积更小,所以升压降低熔点。若在某条件下两相摩尔体积相等,一级压力变化不改变它们的相对μ,熔点的一级压力响应为零。

例:把0℃冰与水从1 bar加压到2 bar

用ρ冰=917 kg·m⁻³、ρ水=999 kg·m⁻³、M=0.01802 kg·mol⁻¹,Vm=M除以ρ。得到Δμ冰≈1.97 J·mol⁻¹,Δμ水≈1.80 J·mol⁻¹。若原来恰好共存,加压后水的μ更低,冰有熔化趋势。别忘1 Pa·m³=1 J。

来源:本次课件PDF第12–13页;Atkins第11版 §4B.1(b)。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

3. 液体承压与蒸气分压:Poynting修正

恒温下用机械方式加压液体,或在其上方加入不反应的加压气体,可以提高液体化学势。若忽略该气体溶入液体及气相非理想效应,蒸气要提高自身分压才能重新与液体平衡。蒸气分压变化和液体总压力变化是两个不同的量。

μg(T,p)−μg(T,p*)=RT ln pp*
μℓ(T,Pℓ)−μℓ(T,p*)=∫p*PℓVm,ℓdPℓ

利用两端均为相平衡,使上述两个差值相等。液体近似不可压缩、蒸气为理想气体时:

RT ln pp* = Vm,ℓ(Pℓ−p*);p=p* exp(Vm,ℓΔPRT)

指数无量纲:Vm的m³·mol⁻¹乘Pa得到J·mol⁻¹,与RT相同。若课件把惰性气体附加压记作ΔP,而液体总压为p+ΔP,那么严格上限应为p+ΔP;只有蒸气压变化很小时,才可把其中p替为p*。本页以实际液体总压Pℓ定义,避免同一个dp同时指两个压力。

课件压力修正推导。图中两个dp应分别理解为蒸气分压与液体压力的变化,正文采用p和Pℓ区分。
课件PDF第14页下半页。课件压力修正推导。图中两个dp应分别理解为蒸气分压与液体压力的变化,正文采用p和Pℓ区分。

令x=Vm,ℓΔP除以RT;当|x|≪1时可用exp(x)≈1+x,得到相对改变:

p−p*p* ≈ Vm,ℓΔPRT

课件例题:25℃水Vm=18.1 cm³·mol⁻¹=18.1×10⁻⁶ m³·mol⁻¹,液体增压10 bar=10⁶ Pa,x≈0.00730。蒸气压相对增加约0.73%;指数计算约0.733%。即使总压增加很大,蒸气分压可能只小幅增加。

单位换算与exp(x)的一阶近似,课件结果为约0.73%。
课件PDF第15页下半页。单位换算与exp(x)的一阶近似,课件结果为约0.73%。
本式与沸点升高不是同一个问题

本节是恒温、比较液体承压后与其平衡的蒸气分压。沸腾讨论外压与饱和蒸气压相等所决定的温度。把惰性气体总压直接当作纯物质蒸气压,会混淆两种情景。

来源:本次课件PDF第14–15页;Atkins第11版 §4B.1(c)。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

4. Clapeyron方程:共存线斜率的完整推导

沿α、β共存曲线任一点,μα=μβ。移动到邻近的另一个共存点,仍应相等,因此dμα=dμβ。分别代入纯物质基本方程:

Vm,αdp−Sm,αdT=Vm,βdp−Sm,βdT

把同类项移到两侧,并统一以β减α定义相变量:

ΔtrsVmdp = ΔtrsSmdT
dpdT = ΔtrsSmΔtrsVm = ΔtrsHmTΔtrsVm

最后一个等号来自相平衡时ΔtrsGm=ΔtrsHm−TΔtrsSm=0。此处T就是转变温度。斜率单位:J·mol⁻¹·K⁻¹除以m³·mol⁻¹=Pa·K⁻¹。分子与分母的变化方向必须统一;若都改成α减β,比值不变。

从共存条件到Clapeyron方程。dμ相等要求移动仍沿共存线,而不是任意独立改变T和p。
课件PDF第17页上半页。从共存条件到Clapeyron方程。dμ相等要求移动仍沿共存线,而不是任意独立改变T和p。
沿线导数和单相偏导不同

(∂μ/∂T)p讨论恒压、单相分支;共存曲线dp/dT描述T与p联动才能保持两相共存。不应把共存线上的压力同时当常数。连续转变若ΔS和ΔV都趋于零,简单比值出现0/0,不能直接给出其斜率。

来源:本次课件PDF第16–17页;Atkins第11版 §4B.2(a)。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

5. 固–液边界:斜率、积分与冰的熔点

dpdT = ΔfusHmTΔfusVm;dTdp = TΔfusVmΔfusHm

一般熔化焓为正且体积变化很小,p–T线因此很陡。ΔV>0时升压升熔点;ΔV<0时升压降熔点。低温³He存在熔化焓为负的特殊范围,说明“任何物质、所有条件下熔化都吸热”过于绝对。

边界通常ΔH、ΔV符号p–T斜率
普通固体熔化ΔH>0,ΔV>0陡正斜率
普通冰I熔化ΔH>0,ΔV<0负斜率
液体汽化ΔH>0,ΔV很大且>0正斜率,熔点比较下沸点通常更敏感

若ΔfusHm与ΔfusVm在所用区间近似常数,积分得到:

p−p₀ = ΔfusHmΔfusVm ln TT₀

进一步要求|T−T₀|≪T₀,才能用ln(T/T₀)≈(T−T₀)/T₀把相界近似成直线。两级近似要分别写出,不宜把固–液线当作全温压范围严格直线。

ΔT ≈ T₀ΔfusVmΔfusHm Δp

例:T₀=273.15 K,ΔfusHm=6.008 kJ·mol⁻¹,ΔfusVm≈−1.6 cm³·mol⁻¹。换算为−1.6×10⁻⁶ m³·mol⁻¹,得到dT/dp≈−7.27×10⁻⁸ K·Pa⁻¹,即−7.27 mK·bar⁻¹。升压100 bar时局部线性估计熔点降低约0.727 K。高压时必须重新考虑物性和冰相变化。

来源:本次课件PDF第17–18页;Atkins第11版 §4B.2(b)。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

6. 液–气与固–气边界:Clausius–Clapeyron近似

准确的Clapeyron式含ΔvapVm=Vm,g−Vm,ℓ。若蒸气体积远大于液体,并可近似理想气体,代入ΔvapVm≈RT/p:

dpdT ≈ pΔvapHmRT²;d ln pdT ≈ ΔvapHmRT²

这是Clausius–Clapeyron方程的常用近似形式。若区间内ΔvapHm还近似不随温度变化,再积分:

ln p₂p₁ = −ΔvapHmR (1T₂−1T₁)

必须用K;ΔH若用J·mol⁻¹,则R取8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹。压力单位只要一致就可在比值中抵消。温度升高时倒数差为负,ln(p₂/p₁)应为正,可用作符号自检。

ln ppref = −ΔvapHmR1T + 常数

因此ln(p/pref)对1/T图的斜率约为−ΔvapHm/R。若用常用对数lg,斜率要除以ln10≈2.303。pref是固定参考压力,使对数自变量无量纲。

固–气与液–气边界在三相点会合。比较斜率时要指定相近温度和一致的近似。
课件PDF第19页下半页。固–气与液–气边界在三相点会合。比较斜率时要指定相近温度和一致的近似。

升华可将ΔvapHm替为ΔsubHm;在同温度下ΔsubHm=ΔfusHm+ΔvapHm。三相点附近两条边界气相压力相同,若熔化焓为正,升华线的对数压力斜率更大。不能仅由“升华焓大”比较任意不同温压的两个dp/dT。

三项适用条件

①气相近似理想;②气相比体积远大于凝聚相比体积;③积分式额外假定相变焓近似恒定。靠近临界点时气液体积趋同、相变焓趋零,前两项可能失效,不能将指数曲线无限外推。

Trouton规则的角色

很多非缔合液体在正常沸点的汽化熵ΔvapHm/Tb约为85 J·mol⁻¹·K⁻¹,可用于数量级估计。水、醇等氢键缔合液体与某些小分子有明显例外;它是一条经验规则,不应取代题目给定的汽化焓。

来源:本次课件PDF第18–19页;Atkins第11版 §4B.2(c,d)。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

7. 例题:25℃减压蒸馏乙醇要降到多少压力?

课件给正常沸点78.3℃、在该温度ΔvapHm=38.9 kJ·mol⁻¹,要求25.0℃沸腾所需压力。正常沸点对应p₁=1 atm=101.325 kPa。转换T₁=351.45 K,T₂=298.15 K。

ln p₂101.325 kPa = −38900 J·mol⁻¹8.31446 J·mol⁻¹·K⁻¹ (1298.15 K−1351.45 K) ≈ −2.3798
p₂ ≈ 101.325 kPa × exp(−2.3798) ≈ 9.38 kPa ≈ 0.0926 atm

结果显著低于大气压,符合减压降低沸点的直觉。这是按课件恒定ΔH模型的估计;25℃与78.3℃相差约53 K,真实汽化焓随温度变化,精确值应由可靠蒸气压数据或含温度依赖的模型确定。

为何不用Trouton常数直接算?

乙醇有氢键,课件给定ΔH除以Tb约110.7 J·mol⁻¹·K⁻¹,与85的经验值明显不同。已有具体汽化焓时,应使用该数值,而不是强行改成经验常数。

来源:本次课件PDF第20页;Atkins第11版 §4B.2(c),本课件乙醇例题。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

8. Ehrenfest分类:看G的导数连续性

在平衡转变处,两相μ=Gm相等,所以Gm连续。它的一阶导数分别是−Sm和Vm。若发生有限跃变,则为一阶相变,常见熔化和汽化都属于这一类,具有潜热TΔSm。

(∂μ∂T)p=−Sm;(∂μ∂p)T=Vm;(∂²μ∂T²)p=−Cp,mT
性质一阶转变经典Ehrenfest二阶转变
Gm/μ连续,但曲线斜率可跳变连续,且一阶导数连续
Sm、Vm至少有相应一阶导数有限跃变连续
潜热TΔSm可非零理想连续转变无有限潜热
Cp、α、κT等二阶响应两侧单相值可不同,转变热另行处理至少某一相关响应有非解析改变,如有限跳变
适用认识熔化、汽化等典型例子历史分类;并不穷尽现代临界行为
课件以V、H、μ、S和Cp曲线说明阶数。判据是自由能导数的连续性,不只是看热容图形高低。
课件PDF第21页下半页。课件以V、H、μ、S和Cp曲线说明阶数。判据是自由能导数的连续性,不只是看热容图形高低。

课件用四方到立方的晶体变化说明连续转变。但“晶体对称性改变”并不自动保证二阶:实际转变可以是一阶或连续,需用热力学及结构数据判断。“无原子重排”宜理解为不需要大规模扩散重建,而不是所有原子坐标完全不动。

来源:本次课件PDF第21–22页;Atkins第11版 相变分类主要按本课件;μ导数关系对照§4B.1。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

9. λ相变、潜热峰与热容发散要分开

λ型转变因热容曲线近转变温度呈λ状尖峰而得名,例子包括液态⁴He的正常流体–超流转变和某些合金有序–无序转变。热容异常可在转变温度以前就发展,反映涨落或有序状态的变化,并不必然意味着一阶潜热。

课件以热容尖峰和β-黄铜有序–无序示意说明λ异常。现代连续转变的临界行为不能简单用“Cp有限跳变”全部覆盖。
课件PDF第22页下半页。课件以热容尖峰和β-黄铜有序–无序示意说明λ异常。现代连续转变的临界行为不能简单用“Cp有限跳变”全部覆盖。
课件第23页热容图的校订

一阶相变在恒压下吸收潜热而温度不变,若把整段相变热形式地写成dq/dT,可表现为δ型奇异贡献;不代表两侧单相Cp都无限大。连续转变的一阶导数连续,Cp可以有限跳变,也可发生临界尖峰或发散。“Cp在转变处无限”既不能单独定义一阶,也不是所有二阶相变的必要条件。

真正测量时,有限加热速率、有限样品和仪器响应会使峰展宽;必须结合是否有潜热、熵或体积是否跃变、结构及可逆性判断。不要只用一张有限分辨率的Cp峰图区分阶数。

来源:本次课件PDF第22–23页;Atkins第11版 Topic 4A的He-II与λ热容图;分类按课件并注明适用边界。页码指PDF页面,每页通常含两张幻灯片。

10. 推导拓展:有限二阶跳变的Ehrenfest关系

这两式是从前课基本关系自行推导的拓展,不要求把所有λ型转变强行代入。假定连续边界上两相Sm、Vm相等且响应函数的有限差值可定义。由Maxwell关系,单相中:

dSm = Cp,mTdT−Vmαdp
dVm = VmαdT−VmκTdp

α为体膨胀系数,κT为等温压缩系数。沿连续边界取两相差值,并要求ΔdSm=0、ΔdVm=0:

dpdT = ΔCp,mTVmΔα;dpdT = ΔαΔκT

这解释了为什么ΔS=ΔV=0时,不能直接套普通Clapeyron的0/0比值,而要研究更高导数。若相关量发散、差值不适当或边界模型不满足假定,这些经典有限跳变式也不应机械使用。

11. 应试笔记:公式条件表与推导训练

公式应用最少需要写出的条件
dμ=Vm dp−Sm dT判断温压对相稳定性的影响纯物质、通常体积功模型、所用相的状态函数
dp/dT=ΔHm除以(TΔVm)共存曲线斜率沿相平衡边界,非零相变体积差或可取良好极限
ln(p₂/p₁)=−ΔHm/R·(1/T₂−1/T₁)估计蒸气压和沸点理想蒸气、气相比体积大、积分区间ΔH近似恒定
p=p*exp(Vm,ℓΔP除以RT)固定T下承压液体蒸气分压液体近不可压缩、蒸气理想、不溶加压气体等模型
相对增加≈Vm,ℓΔP除以RT压力修正一阶估计额外要求指数绝对值远小于1
ΔTf≈Tf ΔfusVm Δp除以ΔfusHm熔点随压力局部改变小范围、相变物性不显著变化

推导训练依次进行:①从Gm=μ写出dμ;②沿共存线联立两相微分;③用相平衡G差为零将ΔS换为ΔH/T;④用气体体积近似得到Clausius–Clapeyron;⑤明确“ΔH恒定”后积分。每一步都在减少信息,须把新增近似写在旁边。

静态问答:dp/dT很大,是不是熔点特别容易受压力影响?

正好要看倒数dT/dp。p–T图斜率很大,说明温度微小变化就要求很大的压力变化;因此通常需要很大压力才能显著改变熔点。

静态问答:Clapeyron和Clausius–Clapeyron哪个更基础?

Clapeyron来自两相化学势相等的微分,是通常两相共存斜率的一般关系。常用Clausius–Clapeyron式在此基础上再近似气体体积和理想气体行为。

第10课测验:22题,32分 ↗ 回看第9课相图与稳定性

主要材料:本次PDF第12–23页;Atkins第11版Topic 4B,印刷页128–135(PDF页168–175)。相变分类的历史方案按课件组织,并保留现代连续转变适用边界的说明。