通常在大气压力为 101.3 kPa 时,水的沸点为 373 K,而在海拔很高的高原上,当大气压力降为 66.9 kPa 时,这时水的沸点为多少?已知水的标准摩尔汽化热为 40.67 kJ⋅mol−1,并设其与温度无关。
通常在大气压力为 时,水的沸点为 ,而在海拔很高的高原上,当大气压力降为 时,这时水的沸点为多少?已知水的标准摩尔汽化热为 ,并设其与温度无关。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查克劳修斯-克拉佩龙方程的应用,涉及相变过程中压力与温度的关系,以及如何利用汽化热计算不同压力下的沸点。
解题核心思路:
- 克劳修斯-克拉佩龙方程是解决此类问题的关键,其积分形式为:
$\ln\left(\frac{P_2}{P_1}\right) = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R} \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right)$
其中,$\Delta H_{\text{vap}}$为汽化热,$R$为气体常数,$P_1, T_1$和$P_2, T_2$分别为两组压力与温度。 - 假设汽化热与温度无关,直接代入已知数据求解$T_2$。
破题关键点:
- 正确代入单位:确保$\Delta H_{\text{vap}}$的单位与$R$匹配(需转换为$\text{J/mol}$)。
- 方程变形与求解:通过代数运算解出$T_2$,注意计算过程中的近似处理。
步骤1:写出克劳修斯-克拉佩龙方程
根据题意,方程变形为:
$\ln\left(\frac{P_2}{P_1}\right) = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R} \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right)$
步骤2:代入已知数据
- $P_1 = 101.3 \, \text{kPa}$,$T_1 = 373 \, \text{K}$
- $P_2 = 66.9 \, \text{kPa}$,$\Delta H_{\text{vap}} = 40.67 \, \text{kJ/mol} = 40670 \, \text{J/mol}$
- $R = 8.314 \, \text{J/(mol·K)}$
代入得:
$\ln\left(\frac{66.9}{101.3}\right) = -\frac{40670}{8.314} \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{373} \right)$
步骤3:计算左边自然对数
$\frac{66.9}{101.3} \approx 0.6603 \quad \Rightarrow \quad \ln(0.6603) \approx -0.4155$
步骤4:整理方程求解$T_2$
方程化简为:
$-0.4155 = -4889.5 \left( \frac{1}{T_2} - 0.002681 \right)$
两边除以$-4889.5$:
$\frac{1}{T_2} - 0.002681 \approx 0.00008498$
解得:
$\frac{1}{T_2} \approx 0.002766 \quad \Rightarrow \quad T_2 \approx \frac{1}{0.002766} \approx 361.6 \, \text{K}$