本章目标
补充第1章没有覆盖的相平衡热力学:相律、克拉珀龙方程(并用统计力学计算蒸气压)、相变的分类与亚稳态、范德瓦尔斯方程的临界点与等面积规则、表面张力与成核势垒。它们是第四部分与第31章的热力学基础。
§P4.1相平衡条件与吉布斯相律
单组分物质的两个相 α、β(如液体与蒸气)共存时,由 (1.9),两相的温度、压强、化学势都相等:
μα(T,p)=μβ(T,p)
这是 (T,p) 平面上的一条曲线——共存线。三相共存要求两个方程同时成立,只能在孤立的点上满足——三相点。不在共存线上时,由 G=Nμ((1.24))与 G 极小原理 (1.16),化学势较低的相是稳定相。
相律。设有 c 种组分、φ 个相。描述各相所需的强度变量为 T、p 以及每相中 c−1 个独立的摩尔分数,共 2+φ(c−1) 个;平衡条件是每种组分在各相中的化学势相等,共 c(φ−1) 个方程。可以独立改变的变量数(自由度)为
f=2+φ(c−1)−c(φ−1)=c−φ+2(P4.1)
例如纯水(c=1)的三相点 f=0:温度与压强都是确定的(273.16 K、约 611 Pa)。
§P4.2克拉珀龙方程与蒸气压
克拉珀龙方程。沿共存线移动时两相的化学势保持相等,dμα=dμβ。由吉布斯–杜安关系 (1.25),dμ=−sdT+vdp(每个粒子的量),所以 −sαdT+vαdp=−sβdT+vβdp,即
dTdp=vβ−vαsβ−sα=TΔvℓ(P4.2)
其中 ℓ=T(sβ−sα) 是每个粒子的相变潜热(相变在恒定 T、p 下可逆地进行,吸收的热为 TΔs,也等于焓变 Δh)。
克劳修斯–克拉珀龙方程。对液–气或固–气共存,v气≫v凝聚,且蒸气近似为理想气体,Δv≈kBT/p,于是 dlnp/dT=ℓ/(kBT2);若 ℓ 近似为常数:
p=p0e−ℓ/kBT(P4.3)
热力学只能给出指数中的 ℓ,不能给出前因子 p0。
用统计力学计算蒸气压。把固体看成爱因斯坦固体:每个原子相对于自由原子被束缚了能量 ε0,并在三个方向上以频率 ω 振动;设 kBT≫ℏω,用经典振子的配分函数 (6.12),定域系统的 qs=eβε0(kBT/ℏω)3。由 (5.6) 的 F=−NkBTlnqs,固体中原子的化学势为 μs=−kBTlnqs。蒸气是单原子理想气体,由 (3.17),μg=kBTln(pλ3/kBT)。令二者相等:
p=λ3kBT(kBTℏω)3e−ε0/kBT(P4.4)
前因子完全由分子参数与 h 决定——这正是 §9.5 中萨克尔与特多德用蒸气压检验绝对熵的思路。自洽性检验:λ−3∝T3/2,所以 p∝T−1/2e−ε0/kBT,dlnp/dT=(ε0−21kBT)/(kBT2);由 (P4.2) 的推导,这意味着 ℓ=ε0−21kBT。另一方面直接计算焓变:气体每个原子 hg=23kBT+kBT,固体每个原子 hs≈us=−ε0+3kBT(pv 可忽略),Δh=ε0−21kBT,两者完全一致。
§P4.3相变的分类与亚稳态
由 (1.13),s=−(∂μ/∂T)p、v=(∂μ/∂p)T。
- 一级相变:在相变点 μ 连续,但它的一阶导数 s、v 有跃变——有潜热与体积突变。例如熔化、汽化,以及低于临界温度时的液–气相变。
- 连续相变(二级或更高级):s、v 连续,二阶导数(Cp、κT、α)发散或有跃变,没有潜热。例如临界点处的液–气相变、居里点处的铁磁相变、超流相变。现代的描述用序参量(如磁化强度、液气密度差)在相变点从零连续地变为非零(第19章)。
亚稳态。在相变点以外,原来的相有时仍能保持很长时间:过冷液体、过饱和蒸气、过热液体。此时它的化学势高于稳定相,但要变成稳定相,必须先形成一小团新相;小团的表面要付出自由能代价(§P4.5),形成足够大的新相核心需要越过一个势垒。亚稳态的寿命由这个势垒决定(第31章)。
§P4.4范德瓦尔斯方程:临界点、等面积规则与对应态
第17章将从统计力学推导范德瓦尔斯方程;这里先把它作为一个物态方程模型来研究(v=V/N):
p=v−bkBT−v2a(P4.5)
b 反映分子的排斥(有效体积),a 反映分子间的吸引。
临界点。高温时等温线 p(v) 单调下降;温度降低到某个 Tc 时,等温线上出现一个水平拐点:∂p/∂v=0 且 ∂2p/∂v2=0,即
−(v−b)2kBT+v32a=0,(v−b)32kBT−v46a=0
由第一式 kBT=2a(v−b)2/v3,代入第二式得 4v=6(v−b),于是
vc=3b,kBTc=27b8a,pc=27b2a(P4.6)
(pc:代回 (P4.5),27b24a−9b2a。)临界点处 (∂p/∂v)T=0,即 κT→∞:由 (8.8),粒子数涨落发散,这正是临界乳光(§P3.5)的来源。
对应态原理。令 p=pcpr、v=vcvr、T=TcTr,代入 (P4.5) 并乘以 27b2/a,所有物质常数都消去了:
(pr+vr23)(3vr−1)=8Tr(P4.7)
用对比变量表示时,不同物质遵循同一个物态方程。实际气体近似满足这一原理,但临界参数的组合 pcvc/kBTc 实验值约为 0.29,而 (P4.6) 给出 3/8——范德瓦尔斯方程只是定性正确。
麦克斯韦等面积规则。T<Tc 时,等温线上出现一段 (∂p/∂v)T>0 的区间,即 κT<0,违背稳定性条件 (1.22),这样的均匀态不可能稳定存在。实际发生的是液–气共存:在某个压强 p0 下,体积为 vl 的液体与 vg 的蒸气共存,满足 μl=μg。沿等温线 dμ=vdp((1.25)),所以 0=μg−μl=∫vdp。分部积分,并用两端 p=p0:
∫vlvg[p(v)−p0]dv=0(P4.8)
即水平线 p=p0 在等温线上截下的两块面积相等。T→Tc 时 vl 与 vg 合并,潜热趋于零:一级相变在临界点终止。
等温线 (P4.7)共存压强 p0 与等面积共存线旋节线(∂p/∂v=0) pr=p/pc vr=v/vc p0/pc—
vl/vc—
vg/vc—
图 P4.1用对比变量表示的范德瓦尔斯等温线。T<Tc 时水平线 p=p0 按等面积规则 (P4.8) 画出,两块阴影面积相等;共存线以内、旋节线以外是亚稳态,旋节线以内的均匀态不稳定。
§P4.5表面张力与成核势垒
表面张力。在恒定 T、p、N 下增加界面面积 dA 所需的可逆功为 γdA,γ 称为表面张力(单位面积的界面自由能),dG=γdA。
拉普拉斯压强。半径为 r 的液滴,内外压强差为 Δp。让半径作虚变化 dr:体积功 ΔpdV 与界面自由能的增加 γdA 必须平衡,dV=4πr2dr,dA=8πrdr,所以
Δp=r2γ(P4.9)
开尔文方程:小液滴的蒸气压更高。液滴内液体的压强比外面高 2γ/r。把液体看成不可压缩(每个分子体积 vl),由 dμ=vdp,液滴内液体的化学势比平液面高 vl⋅2γ/r;与之平衡的蒸气化学势也要相应升高,由 (1.28),kBTln(pr/p∞)=2γvl/r,即
pr=p∞exp(rkBT2γvl)(P4.10)
(略去了蒸气压改变对液体化学势的微小影响。)液滴越小越容易蒸发,所以纯净的蒸气可以过饱和而不凝结。
成核势垒。在亚稳相中形成一个半径为 r 的稳定相球形核。设每个分子从亚稳相转入稳定相时化学势降低 Δμ>0,单位体积的降低为 Δg=Δμ/v新,则
ΔG(r)=−34πr3Δg+4πr2γ
体积项有利、表面项不利。令 dΔG/dr=0:
r∗=Δg2γ,ΔG∗=3Δg216πγ3(P4.11)
小于 r∗ 的核倾向于消失,大于 r∗ 的核会长大;ΔG∗ 就是成核势垒。过冷度:在熔点 Tm 附近,两相化学势的斜率分别为 −s(由 (1.13)),所以在 T=Tm−ΔT 处 Δμ≈(s液−s固)ΔT=ℓΔT/Tm。代入 (P4.11),ΔG∗∝1/ΔT2:接近熔点时势垒极高,过冷的液体可以长时间不结晶。第31章将用玻尔兹曼因子 e−ΔG∗/kBT 与速率理论计算成核速率。
ΔG(r)表面项 4πr2γ体积项 −34πr3Δg ΔG/ΔG0∗ r∗/r0∗—
ΔG∗/ΔG0∗—
成核速率的倍数—
图 P4.2成核势垒 (P4.11),以参考状态(下标 0)的临界半径和势垒为单位。半径小时表面项占优,核倾向于消失;越过 r∗ 以后体积项占优,核自发长大。ΔG∗∝γ3/Δg2:驱动力加倍,势垒降到四分之一。速率的倍数按 e−ΔG∗/kBT 估算,取参考状态的势垒为 60kBT。
自测题
- 水在 373 K 的汽化潜热约为 40.7 kJ/mol。用 (P4.2) 估计压强每升高 1 kPa 沸点升高多少。[答:约 0.28 K]
- 证明 (P4.7) 中临界点对应 pr=vr=Tr=1,并说明它与具体物质无关。
- 对 (P4.11),若过冷度加倍,临界核半径与成核势垒分别变为原来的几倍?[答:1/2;1/4]
这一篇已记为读完。