物理化学(第二章)
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第二章 热力学第二定律
热力学第一定律指出, 宏观体系发生的任何过程必须服从能量守恒原理, 任何违背这一客观规律的过程都是不能发生的。但不违背能量守恒原理的过程是否都能自动(即不需外界帮忙,任其自然)发生呢?回答是否定的。例如,温度不同的两个物体相互接触,热可以自动地由高温物体传向低温物体,直至两物体温度相等,而其逆过程热由低温物体传向高温物体是不能自动发生的;又如,298K 、p 压力下,有可能自动发生如下的化学反应 C (金刚石)+O2(g )→CO 2(g)Δr H
m
=-393.5kJ.mol -1。如果在该条件下,令环境供给
393.5kJ 的热量,由CO 2(g )分解为金刚石和O 2(g )则是不能自动发生的。尽管这些逆过程发生时,并不违背热力学第一定律。究竟在不违背能量守恒原理的前提下, 什么过程可以发生, 什么过程又不可以发生呢? 决了能量守恒、行的方向和限度。决定因素。例如, 压力p;那么,因而对于决定变化过程方向和限度的共同因素的探讨,“方向”和“限度”问题。
§2-1
一、自发过程的方向性
自发过程: (1 (2 (3)水的流动:高水位→低水位,直达相等。 (4)电能输送:高电位→低电位,直达相等。 可以看出:一切自发过程都具有方向性。 二、自发过程的共同特征:
1.高空重物落地 环境得到了热
若使重物复原 需环境作功 功 =│热│
2. 热从高温物体传向低温物体,若使热从低温物体传温物体,需环境作功,同时得热。
如图:Q 1=│W │
3、Zn+CuSO4(aq) →Cu+ZnSO4(aq) 放热Q ,若使体系复原,需电解对体系做电功W f
,
向高
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且
W f =│Q │,
若热能全部转变为功,而不留下任何其他变化,则上述自发过程都是可逆过程。但人类从无数的实验中总结出:“功可全部转变为热,但热不可能全部转变为功而不引起其他任何变化。” 结论:一切自发过程都是不可逆的。 §2-2热力学第二定律的经典描述
1850年,克劳修斯(Clausius )表述法:“不可能把热从低温物体传到高温物体,而不引起任何其它变化。”
1851年,开尔文表述法(Kelvin ):“不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为功,而不引起任何其他变化。”
或 “不可能制造出第二类永动机”
第二类永动机: 该机器从海洋中吸热:开动全世界的工厂作功,15000.01℃。再者航海航空也不需携带燃料了。
说明: §2-3过程的热温商及熵函数
一、 熵变的定义
体系在温度T δQ R 的热量,
令 dS =δQ R/T 2-1(2-1)R 表示可逆过程,
δQ R
T
称为可逆过程的热温商。
J/K
2 △S = S2-S 1 =
⎰
S 2
S 1
dS =⎰1
δQ i
T i
2
δQ R
T
(2-2)
或 △S = S2-S 1 =∑(
i
R (2-3)
△S -∑(
i
δQ i
T i
R =0
说明:△S 只取决于体系的始终态,与途径无关 。体系的熵变等于由始态到终态的任一可逆途径的过程热温商之和。
T:热源温度,可逆过程中即为体系的温度。
注:1、不能简单地说成可逆过程的热温商之和就是体系的熵 。
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2、更不能说成过程的热温商之和就是体系的熵变。
二、不可逆过程的热温商与熵变
若体系发生了一不可逆过程:状态A→状态B,则
SB-SA> (
δQ i
T i
)IR ,A→B
或 ΔSA→B >(
δQ i
T i
)IR ,A→B (2-4)
注意:不能将上式理解为可逆过程的ΔS比不可逆过程的ΔS大。
§2-4热力学第二定律的数学表示式
一、 热力学第二定律的数学表示式 对可逆过程:△S -∑(
i
δQ i
T i
R =0
△S dS 2—5)与(2—6)式称为克劳修斯不等式,在可逆过程中,体系的温 该式可用以判断实际过程的可逆性,故称为熵判据。 说明:ΔS——可逆过程的热温商之和,与过程的具体途径无关。 若实际过程为非可逆过程,需设计可逆途径进行求算。
∑T
δQ
—实际过程中的热温商之和(T 为环境的温度), 若实际过程为可逆过程,其值等
于ΔS; 若实际过程为不可逆过程,其值不等于ΔS,二者差值越大,不可逆差值越大。 二、熵增加原理
对于绝热体系,∵δQ =0,即 (δQ/T)=0 ∴ΔS绝热 ≥0 或dS 绝热≥0 (2—7)
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“>”不可逆(往熵值增加的方向进行) “=”可逆(平衡态,此时熵值增大) “<”不可能发生
对于绝热过程:体系的熵永远不会减少—绝热过程的熵增加原理. 同理:对孤立体系:δQ =0,则有
ΔS隔离≥0或 dS隔离≥0 (2—8)
“>”自发;“=”(平衡态);“<”不可能发生 ΔS隔离 =ΔS体系 +ΔS环境 ≥0 (2—9) ΔS环境=-∑(
i
δQ i
T 环境
IR (2-10)
熵增加原理:“孤立体系的熵值有增无减”
注意: 三、热力学第二定律的本质和熵的统计意义 熵与体系“混乱度”的关系:
1.气体向真空膨胀: 2.1P 、100℃,H 2O(l)→1P 、100℃,H 2 混乱度增大,熵值增大。 3.绝热容器中,A ,B 分子的混合 混乱度增大, 熵值增大。
从以上可以推出: 根据熵增加原理:
程的微观本质)。 可以推断:
(1
(2)对同一种物质:固态的S <液态的S <气态的S (3)同分异构体:对称性低的的S >对称性高的的S 。 (4)同一物质温度升高时,S增大。
(5)对化学反应,分解反应ΔS>0;加成或聚合反应
ΔS<0。
§2-5热力学第三定律和规定熵值
热力学第二定律给出熵的定义, 并可求算各种过程的熵变, 却不能给出熵的绝对值,如果能测知各种物质熵的绝对值列表备查,将给ΔS的计算带来很大方便,但熵的绝对值是不知道的,为此,只能人为地规定一些参考点作为零点,求其相对值,这些相对值称为规定熵,它
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们将有助于熵变的计算。 一、热力学第三定律
热力学第三定律是本世纪初在低温热力学实验的基础上提出的。首先是能斯特提出热定理,后经普朗克、路易斯修改补充而形成。
表述为:“在0K时,任何纯物质完美晶体的熵值等于零。” 用数学式表示为:
S0=0 (纯物质完美晶体) (2-11)
完美晶体:晶体中的原子或分子只有一种排列形式。
注意:并不是任何物质在0K时都是完美晶体,例如NO 分子晶体,即使在绝对零度时,其分子在晶体中的取向仍可能有NONONO………及而其S0就不等于零;因为固溶体不是纯物质,其熵值在0K 二、规定熵值
STT 和标准状态下,则其规定
熵用S T
§
∵ΔS=δ 实际过程热温商∑
δQ
T
<ΔS,该过程不可逆
一、无相变、无化学变化、Wf =0的封闭体系 1、. 等温过程
由热力学第一定律:QR=ΔU-WR,所以 ΔS=
⎰
2
δQ R
T
1
=Q R/T=ΔU/T-WR/T (2—12)
对于理想气体,等温过程中ΔU =0,所以
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ΔS=-W R/T=(nRTlnV1/V2)/T
=nRlnV2/V1= nRlnP1/P2 (2—13)
例题2-1 : 1mol理想气体在等温条件下体积增加为原来的10倍,试求体系的熵变。 解:ΔS=nRlnV 2/V1=8.314ln10 =19.15(J.K -1)
例题2-2 在273K, 用2p 的外压将1mol 理想气体由P 、0.0224m 3等温压缩至2p 、0.0112 m3,试计算该过程体系的
ΔS,并判断此过程的性质。
解:ΔS体=nRlnV 2/V1=8.314ln0.0112/0.0224 =-5.76(J.K -1)
ΔS环=-∑δQ/T=-Q/T=W/T=-p e (V 2-V 1)/T =2×101325(0.0224-0.0112)/273 =8.314(J.K -1)
:
根据分体积定律:X A =
V V A V
;X D =D ;X C =C ;n A =n XA ; V V V
n D =n XD ;n C =n XC ; n 为混合气体的总摩尔数。
对气体A的状态变化为:
−等温过程−−−
由于该过程ΔU =0, 故
V Q R W R V 2
ΔSA== =(nXARTln )/T=nX ARln
T T V 1V A
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=nX ARln
1
=-nX ARlnX A X A
同理得 ΔSD =-nX D RlnX D ΔSC =-nX CRlnX C
所以 Δmix S=-nR (X AlnX A+X BlnX B+X ClnX C 对多种气体的混合过程,则有 Δ
mix S=-nR ∑X BlnX B
U=0,W=0,则Q=0,故可视为隔离
=-R∑n BlnX B (2—14)
因为X B<1,所以Δ
mix S>0。又因为该过程Δ
体系,鉴于Δmix S=ΔS隔离 >0,所以过程自发。
“恒温”热传导过程:
实验室中某一大恒温槽的温度为400K ,室温为300K ,4000J 的热传给空气,用计算说明该过程是否可逆?
Q 4000
解:∆S 体=R =-=-10J . K -1
T 体∆S 环=-
Q =T 环
∆S 孤立=∆S 体逆程过。
2.变温过程 应为 δ (1 δ C V,m 为常数时 ΔS=nC V,m ln
1
T 2
(2—16) T 1
例题2-3:计算298K 的1mol 单原子分子理想气体等容升温到1000K 的ΔS 。 解:∵ 该过程为等容过程 ∴ΔS=nC V ,m ln (2)恒压变温过程 δQ R=nC P ,mdT
T 231000 =1××8.314ln =15.1(J.K-1)
2300T 1
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ΔS= C P,m 为常数时
⎰
T 2
T 1
nC P , m
dT
(2—17) T
T 2
(2—18) T 1
ΔS=nC P ,m ln
例题2-4:计算在1atm 下,300K 的3molCH 4升温到1000K 的ΔS 。已知C P ,
m.CH4=23.64J.mol.k-1
解:∵ 该过程为等压过程 ∴ΔS=nC P ,m ln (4)绝热过程
绝热可逆过程:ΔS=0。 绝热不可逆过程: ΔS>0。
1 Δr Sm, T 21000 =3×23.64ln =85.4(J.K-1)
300T 1
2 Δr Sm
∆r C P 为 Δr Sm
例题2-5: 计算下述化学反应在标准压力p 下,分别在298.15K及398.15K时的熵变各为多少?
C 2H 2(g, p )+2H 2(g, p )=C 2H 6(g, p ) 已知下列数据
物质 S m, 298.15(J.K-1.mol -1) C P,m (J.K-1.mol -1) H 2(g ) 130.59 28.84 C 2H 2(g ) 200.82 43.93 C 2H 6(g ) 229.49 52.65 设各CP,m 值与T无关。 解: 当反应在298.15K进行时
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Δr Sm,
298.15=
∑ν
B
B
Sm, Β
,298.15
=S m, 298.15(C2H 6) -2×S m, 298.15(H2) -S m, 298.15(C2H 2) =229.49-2×130.59-200.82 =-232.5(J.K-1.mol -1) 当反应在398.15K进行时 Δr Sm
398.15=Δr Sm
T 2
289.15+∆r C P ln T 1
398. 15
298. 15
=-232.5+(52.65-2×28.84-43.93)ln
=-246.7(J.K -1.mol -1)
§2-7吉布斯自由能
加以比较才能确定,较为麻烦,必须寻
一、吉布斯自由能(自由能,吉氏函数) 定义: G=U+PV -TS =H-TS () G称为吉布斯自由能(J
dGT,p ≤δf (2-23) 对有限变化,上式可写为
ΔGT,p f “=”
上式表明:在恒温恒压的条件下,体系吉布斯自由能的减少等于体系所做的最大有用功;在不可逆过程中,体系所做的有用功的绝对值小于体系吉布斯自由能的减少。所以(2-23)或(2-24)式可以作为恒温恒压过程可逆性的判据。
恒温恒压及Wf=0的过程:则上式可写成
dGT,P,Wf=0 ≤0 (2-25) 有限变化,上式变为
ΔGT,P,Wf=0 ≤0 (2-26)
“
“= ”可逆(平衡态) “>”不能发生( 反自发)
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该式表示:在恒温恒压及Wf=0的条件下,体系沿吉布斯自由能减小的方向自发进行,直到G值不再改变(dG =0)便到达该条件下的平衡状态; 吉布斯自由能升高的过程是不能自动发生的。 所以, (2-25)及(2-26)式就是恒温恒压及Wf=0条件下,自发过程方向与限度的判据。
关于F和G,还应指出以下几点:
1.虽然F判据与G判据分别是在恒温恒容和在恒温恒压等条件下使用,但并不意味着只有在恒温(或恒温恒容)条件下体系才有ΔF,也并不意味着只有在恒温恒压的条件下才有ΔG,而是只要体系的状态一定,就有确定的F和G值。在任意条件下体系发生的状态变化都伴有ΔF和ΔG值,只不过在非恒温过程中,ΔF不再等于体系所做最大功,而在非恒温恒容的过程中,ΔF也不再等于体系所做最大有用功;同理,在非恒温恒压过程中,ΔG亦不再等于体系所做最大有用功。
2.如果在恒温恒压的可逆过程中,体系对环境能做出有用功,这种过程亦称为自发过程,此时体系吉布斯自由能必减少 ΔGT,p <0
这意味着恒温恒压下,如果在恒温恒压下的可逆过程中,环境对体系做功,即Wf>0,这时 ΔGT,P>0
它表示恒温恒压下,但对体系做功的情况下,仍然是可以实现的,。恒温恒容下的ΔF亦然,此处不再赘述。
3且皆为容量性质。
f=0),只需根据体系在过程中ΔF或ΔG的正、负号或为零,不再需要考虑实际过程的热温商,这比用熵作 如何判定化学反应的自发性是很重要的,通常化学反应多在恒温恒压条件下进行,所以G占有特别重要的地位。恒温恒压下对于ΔG<0的反应,不但表示该反应在恒温恒压下能自发进行而且不需要消耗有用功,相反地还能做出有用功(例如化学电源就是通过自发的化学反应将化学能转变为电能的)。
凡是等温等压条件下,自由能降低的反应,在电池中,都有对外做功的本领,其自由能的降低值等于所做的最大有用功的负值。例如:等温等压可逆电池化学反应中:ΔG=-ZEF Z: 反应方程式的电子转移数,即电子的摩尔数。
F: 法拉第常数:96500库仑。
§2-8 ΔG的计算及应用
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一、从定义出发:∵G=H-TS=U+pV-TS
( )T: ΔG=ΔH-TΔS (2-27)
=ΔU+Δ(pV)-TΔS (2-28)
例题:2-6 Zn(s)和CuSO 4溶液可发生置换反应,若在298K、p 压力下令反应安排成原电池可逆地进行,做出电功200kJ, 放热6kJ , 试计算反应的Δr U 、Δr H 、Δr S 、Δr F 和Δr G 。
解 W=-200kJ ,Q=-6kJ ,(体积功约为零) Δr U =Q+W=-206kJ 由于反应可逆地进行,所以
Δr S =QR/T=-6000/298=-20.1(J.K-1 ) 又因为在恒温恒压的可逆过程中 -ΔG=Wf ,所以 Δr G =Wf=-200kJ
Δr H =Δr G +TΔr S =-206 kJ Δr F =ΔU-TΔr S =-200 kJ
例题2-7 NH 3和O 2在298K 时自发生成氨基酸的热力学可能性,反应方程式是:
NH 3(g )+2CH4(g )+ O2(g )=C2H 2O (l ) 已知热力学数据如下:
△f H m -1) S m ,298K (J.K-1.mol -1)
NH 3(g ) -45.94 192.67 CH 4(g ) 186.27 O 2(g ) 205.02 C 2H 5O 2N (s 103.51
H 2O (l ) 69.96 解 △r H m ,298K
=( △f H m ,298K, C 2H 5O 2N + 3△f H m ,298K ,H 2O )
-(△f H m ,298K ,NH 3 +2△f H m ,298K ,CH 4+ △f H m ,298K ,O 2 ) =[-537.23 + 3×(-285.85)]-[-45.94+ 2×(-74.85)+ 0] =-1199.14(kJ)
△r S m ,298K =( S m ,298K, C 2H 5O 2N +3S m ,298K ,H 2O ) -( S m ,298K ,NH 3+2 S m ,298K ,CH 4+ S m ,298K ,O 2) =(103.51+3×69.96)-(192.67+2×186.27+ 205.02)
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= -764.37(J)
例题2-8: 计算25℃时 N 2(g )+3H 2(g )
→2NH 3(g )的Δr G m 。 已知298K 时:
Δf H m, NH3=-46.19 kJ.mol -1 S m ,H2=130.59 J. K-1.mol -1 S m ,N2=191.49 J. K-1.mol -1 S m ,NH3=192.95 J. K-1.mol -1
解: 反应的Δr H m =2Δf H m, NH3 2×46.19=-92.38kJ.mol -1
Δr S m =2×192.95-191.49-3×130.59
m ,H2 =-197.36(J Δr 92380-298.15(-197.36) 2-9:计算下列各恒温(298K)(1)
(2)
(3)同(1),但将Ar 换成N 2 ; (4)同(2),但将Ar 换成N 2 ; 解:(1)符合等温等压混合过程的条件 所以,∆mix S =-nR ∑X B ln X B
B
=-2×8.314×(0.5ln0.5+0.5ln0.5)=11.53J.K-1
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∆mix G =nRT ∑X B ln X B =11.53×298=-3436J
B
(2) 对N 2或Ar, 均为V 2=V1=V,又由于该过程为等温过程, 所以
∆S N 2=nR ln
V 2
=0 V 1
∆S Ar =nR ln
V 2
=0 V 1
∆mix S =∆S N 2+∆S A r =0 ∆mix H =∆H N 2+∆H A r =0 ∆m i G x =∆m i H x -T ∆m i S x =0 (3) 因均为N 2, 且V 1=2V, V2=2V, 所以
∆mix S =nR ln
V 2
=0 V 1
∆m i H x =0 ∆m i G x =∆m i H x -T ∆m i S x =0 (4) 因均为N 2, 且V 1=2V, V2=V, 所以
∆mix S =nR
=2⨯8. ∆mix H =0 ∆mix G =∆mix
某纯物质在一定温度和压力下, 两相呈平衡, 如果温度变化dT, 相应地压力变化dP, 并达成新的平衡, 即
dP ∆S m
= dT ∆V m
其中ΔS m 和ΔV m 分别表示1mol 物质从相(1)变化到相(2)的熵变和体积变化. 对于可逆相变, ΔS m =
∆H m
, 代入上式得 T
dP ∆H m
= (2-29) dT T ∆V m
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这就是纯物质的克拉贝龙Clapeyron 方程. 其中, ΔH m 为摩尔相变潜热. 它表明了两相平衡时的平衡温度与平衡压力的函数关系, 适于纯物质的任何两相平衡.
说明:若平衡体系中有气相, 如g l 平衡和g s 平衡, P指平衡蒸气的压力, 即蒸气压;
如果平衡体系中没有气相, 如l S 平衡和S S, P指外压, 即环境压力。 具体应用:
1、 l g 平衡(液体蒸气压与温度的关系或外压与沸点的关系) 将(2-108)式应用于液 气平衡,
dP
指液体的饱和蒸气压随温度的变化律, ΔH m 为摩尔dT
气化热, ΔV m = Vm (g )- Vm (l , 而V m (g )>> Vm (l ), 所以可近似ΔV m ≈ Vm (g ),
即
dP ∆H m ∆H ∆H ⋅P
==vap m =vap m 2 dT T ∆V m TV m (g ) RT
当 Δ
对 ln P 其中B 以斜率为 -Δ
可作出体系的 lnP ~1/T 直线, 由截距得到积分常数B ,由斜率算出Δ
vap
H m , 代入(2-31)式便可得
到蒸气压随温度的变化关系. 当Δ
vap
H m 与温度无关时, 对(2-30)作定积分得
ln
P 2∆vap H m ⎛11⎫
=
-⎪ (2-32) P 1R ⎝T 1T 2⎭
其中P 1是T 1时的饱和蒸气压, P2是T 2时的饱和蒸气压。式(2-31)和 (2-32)也称作克-克方程。
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Δvap H m 近似估算——楚顿(Trouton)规则: 正常液体、在正常沸点(T b )时
∆vap H m
K -1·mol -1 (2-33) ≈88 J·
T b
正常液体——非极性液体, 液体分子不缔和,一般为150K 以上沸腾 的液体。
正常沸点:外压为P 时的沸点。
例题2-10 已知水在373K 时的饱和蒸气压为1.013×105Pa , 摩尔气化热为40.68 KJ ·mol -1, 将其视作常数,计算:(1)水在95℃ 时的饱和蒸气压;(2)水在外压为1.60×105Pa 时的沸点。 解: (1)因Δ
vap m
H 视作与温度无关, 则
P 240. 68⨯103⎛11⎫
=⨯ - ln ⎪=-0.1782
P 18. 314⎝373273+95⎭)
(2) 2、 s
且 ΔV m Δ尔升化热) 即可。 即, 当 Δ
sub
vap
H m 改换成Δ
Sub m
H (摩
d ln P ∆sub H m
= 2
dT RT
H m 为常数时
ln P =-
∆sub H m
+C (2-34) RT
ln
P 2∆sub H m ⎛11⎫= -⎪ (2-35) P 1R ⎝T 1T 2⎭
3、S l 平衡(外压与熔点的关系)
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对-液平衡,克拉贝龙方程为 其中Δ
dP ∆fus H m
= dT T ∆fus V m
H m 为固相的摩尔熔化热, Δ
fus
fus
V m = Vm (l )- Vm (s ),由于固相和液相的摩尔体
fus
积相差不大, 不能任意忽略V m (l )或V m (s )。当温度变化范围不大时, Δ近似为常数, 对上式进行定积分可得 P 2-P 1=
H m 和Δ
fus
V m 均可
∆fus H m T 2
ln (2-36) ∆fus V m T 1
例题2-10: 已知水和冰的密度分别为0.9998 g·cm -3和0.9168g ·cm -3, Δfus H = 333.5J·g -1。试计算在-2℃ 时, 要使冰溶化所需施加的最小压力是多大?
解: 该题可用(4-72)式进行精确计算, 因为ΔT/T (4-73)式进行近似计算。
由于P 1=P
ΔΔ
fus m
H V = Vm ×10-6(m 3), fus m
T2 P2) 所以 P2 即要使-2-液平衡的压力随温度的变化率远大于固- 3、S 1 S 2平衡
对于两种固相之间的固~固平衡, 有与固~液平衡类似的公式. 只是 △Hm为由S 1转变为S 2的摩尔相变焓△trs H m ,吸热过程的△trs H m >0 放热过程的△trs H m < 0, △V m =Vm ,2-V m ,1 。
∆H m T 2dP ∆trs H m
P 2-P 1=trs =ln
dT T ∆trs V m ∆trs V m T 1
(2-37)
二、外压对液体蒸气压的影响——不活泼气体对液体蒸气压的影响
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ln
P g P g
∙
=
V m , (L ) RT
(P -P ) (2-38)
e
∙g
P g ∙:没有惰性气体存在时的饱和蒸气压;P g :有惰性气体存在时的饱和蒸气压。可以看出,液体的蒸气压随外压的增大而增大。