题目
若某物质在蒸发时液体体积可以忽略,气体可以视为理想气体,描述其温度与饱和蒸气压关系正确的式子是( )。A. (d p^*)/(d T) = (Delta_({m)} H_({m)})/(R T^2)B. (d ln p^* )/(d T) = (Delta_({m)} H_({m)})/(R T)C. (d ln p^* )/(d T) = (Delta_({m)} H_({m)})/(R T^2)
若某物质在蒸发时液体体积可以忽略,气体可以视为理想气体,描述其温度与饱和蒸气压关系正确的式子是( )。
A. $\frac{d p^*}{d T} = \frac{\Delta_{\text{m}} H_{\text{m}}}{R T^2}$
B. $\frac{d \ln \{ p^* \}}{d T} = \frac{\Delta_{\text{m}} H_{\text{m}}}{R T}$
C. $\frac{d \ln \{ p^* \}}{d T} = \frac{\Delta_{\text{m}} H_{\text{m}}}{R T^2}$
题目解答
答案
C. $\frac{d \ln \{ p^* \}}{d T} = \frac{\Delta_{\text{m}} H_{\text{m}}}{R T^2}$
解析
本题考查知识点为克劳修斯 - 克拉佩龙方程,该方程用于描述纯物质的饱和蒸气压与温度之间的关系。解题思路是从克劳修斯 - 克拉佩龙方程的推导过程出发,逐步得出温度与饱和蒸气压关系的正确表达式。
推导过程
- 对于纯物质的气 - 液平衡系统,根据吉布斯自由能的性质,在平衡状态下,气相和液相的化学势相等,即$\mu_{g}=\mu_{l}$。
- 对化学势与温度、压力的关系$d\mu = -SdT+Vdp$进行积分,从一个平衡态$(T_1,p_1^*)$到另一个平衡态$(T_2,p_2^*)$,可得$\int_{p_1^*}^{p_2^*}Vdp=-\int_{T_1}^{T_2}SdT$。
- 因为液体体积可以忽略,即$V_{l}\approx0$,那么$V = V_{g}$,对于理想气体$V_{g}=\frac{nRT}{p}$。
- 将$V_{g}=\frac{nRT}{p}$代入$\int_{p_1^*}^{p_2^*}Vdp=-\int_{T_1}^{T_2}SdT$中,得到$\int_{p_1^*}^{p_2^*}\frac{nRT}{p}dp=-\int_{T_1}^{T_2}SdT$。
- 由于$S = S_{g}-S_{l}$,且$\Delta_{m}H_{m}=T\Delta_{m}S_{m}=T(S_{g}-S_{l})$,所以$\int_{p_1^*}^{p_2^*}\frac{nRT}{p}dp=-\int_{T_1}^{T_2}\frac{\Delta_{m}H_{m}}{T}dT$。
- 对等式两边进行积分:
- 左边$\int_{p_1^*}^{p_2^*}\frac{nRT}{p}dp=nR\int_{p_1^*}^{p_2^*}\frac{1}{p}dp=nR\ln\frac{p_2^*}{p_1^*}$。
- 右边$-\int_{T_1}^{T_2}\frac{\Delta_{m}H_{m}}{T}dT=-\Delta_{m}H_{m}\int_{T_1}^{T_2}\frac{1}{T}dT=-\Delta_{m}H_{m}\ln\frac{T_2}{T_1}$。
- 则$nR\ln\frac{p_2^*}{p_1^*}=-\Delta_{m}H_{m}\ln\frac{T_2}{T_1}$。
- 假设$\Delta_{m}H_{m}$不随温度变化,对$p^*$和$T$求微分:
- 由$nR\ln p^*=-\Delta_{m}H_{m}\ln T + C$($C$为常数)。
- 两边同时对$T$求导,根据求导公式$(\ln x)^\prime=\frac{1}{x}$,可得$\frac{nR}{p^*}\frac{dp^*}{dT}=-\frac{\Delta_{m}H_{m}}{T}$。
- 整理可得$\frac{d\ln\{p^*\}}{dT}=\frac{1}{p^*}\frac{dp^*}{dT}=\frac{\Delta_{m}H_{m}}{RT^2}$。