ระบบที่ประกอบไปด้วยสองวัฏภาค (Two-Phase Systems) ของ พลศาสตร์ของไหล

แผนภาพ P-T ในรูปที่ 3.2 ของบทที่ 3 นั้นได้แสดงเส้นแบ่งขอบเขตของสถานะของสารบริสุทธิ์กระบวนการใดๆ ที่ดำเนินผ่านเส้นแบ่งขอบเขตนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงของสถานะเกิดขึ้น พร้อมกันนั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางอุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน นั่นคือที่อุณหภูมิและความดันเดียวกันปริมาตรต่อมวลของของเหลวอิ่มตัวจะแตกต่างจากปริมาตรต่อมวลของแก๊สอิ่มตัวมาก และในทำนองเดียวกัน ค่าพลังงานภายในเอนทัลปีและเอนโทรปีของสารในต่างสถานะก็จะแตกต่างกันมากเช่นกัน อย่างไรก็ตาม สมบัติชนิดหนึ่งที่ถือเป็นข้อยกเว้น คือ ค่าของพลังงานกิบส์ ซึ่งจะมีค่าเท่ากันในทั้งสองสถานะ (ในขณะที่ทั้งสองสถานะอยู่ในสภาวะสมดุลต่อกัน) กล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า การเปลี่ยนสถานะจะไม่ส่งผลไห้ค่าพลังงานกิบส์มีการเปลี่ยนแปลง ไม่ว่าจะเป็นการระเหิด การหลอมเหลว หรือการกลายเป็นไอ ทั้งนี้เมื่อได้พิจารณาของเหลวบริสุทธิ์ซึ่งอยู่ในสภาวะสมดุลกับแก๊สในกระสูบที่อุณหภูมิ Tsat และความดัน Psat ถ้ามีของเหลวในปริมาณน้อยๆ ที่ถูกเปลี่ยนกลายเป็นไอภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันคงที่ จากสมการที่ 6.6 จะได้ว่า d(nG)=0 โดยกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบปิดนี้ ค่า n จะเป็นค่าคงที่ ดังนั้นจะได้ dG=0 ซึ่งหมายความว่า ค่าพลังงานกิบส์ของแก๊สจะต้องมีค่าเท่ากับพลังงานกิบส์ของของเหลว กล่าวคือ G   a l p h a = G β {\displaystyle G^{\ }alpha\,=G^{\beta }\,} (69)โดยที่ G^αและ G^β คือพลังงานกิบส์ของแต่ละสถานะสมการข้างต้นสามารถใช้พัฒนาสมการแคลปิรอน (Clapeyron equation) ซึ่งได้กล่าวถึงในบทเรียนที่ผ่านมา โดยทราบว่าในระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลระหว่างสถานะ ถ้าอุณหภูมิของระบบเปลี่ยนไป ความดันก็จะเปลี่ยนตามไปด้วยตามความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอและอุณหภูมิโดยจะเป็นไปตามสมการที่ 6.69 d G α = d G β {\displaystyle dG^{\alpha }\,=dG^{\beta }\,} แทนค่าสำหรับ dG^α และ dG^β โดยใช้สมการที่ 6.10 จะได้ V a ( d P ) α = G β {\displaystyle V^{a}(dP)^{\alpha }\,=G^{\beta }\,} V a ( d P ) s a t − S α d T = V β ( d P ) s a t − S β d t {\displaystyle V^{a}(dP)^{sat}-S^{\alpha }\,dT=V^{\beta }\,(dP)^{sat}-S^{\beta }\,dt} ค่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี ∆S^αβ และการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร ∆V^αβ คือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมื่อปริมาตรหนึ่งหน่วยของสารบริสุทธิ์เกิดการถ่ายโอนจากสถานะ α ไปเป็น β เช่นนี้ จะได้ ค่าความร้อนแฝงอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนสถานะ Δ H α β = ( T Δ S α β {\displaystyle \Delta \,H^{\alpha \,\beta \,}=(T\Delta \,S^{\alpha \,\beta \,}} (70)ซึ่งหลังจากจัดรูปแล้วจะได้สมการดังต่อไปนี้ ( d P ) s a t d T = ( S β − S α ) ( V β − V α ) {\displaystyle {\frac {(dP)^{sat}}{dT}}={\frac {(S^{\beta }\,-S^{\alpha }\,)}{(V^{\beta }\,-V^{\alpha }\,)}}} เท่ากับ ( Δ S α β Δ V α β {\displaystyle {\frac {(\Delta \,S^{\alpha \,\beta \,}}{\Delta \,V^{\alpha \,\beta \,}}}} ดังนั้น ( Δ S α β = ( Δ H ) α β / T {\displaystyle {\frac {(\Delta \,S^{\alpha \,\beta \,}}{=}}(\Delta \,H)^{\alpha }\,\beta \,/T} และเมื่อแทนค่านี้ลงไปในสมการข้างต้นสำหรับ ( d P ) s a t d T {\displaystyle {\frac {(dP)^{sat}}{dT}}} จะได้ ( d P ) s a t d T = ( Δ H ) α β T Δ V α β {\displaystyle {\frac {(dP)^{sat}}{dT}}={\frac {(\Delta \,H)^{\alpha \,\beta \,}}{T\Delta \,V^{\alpha \,\beta \,}}}} (71)ซึ่งก็คือสมการ แคลปิรอน (Clapeyron equation) นั่นเองสำหรับกรณีการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส สมการข้างต้นจะเขียนได้เป็น ( d P ) s a t d T = ( Δ H ) l v T Δ V l v {\displaystyle {\frac {(dP)^{sat}}{dT}}={\frac {(\Delta \,H)^{lv}}{T\Delta \,V^{lv}}}} (72)แต่ Δ V l v = R T P s a t Δ Z l v {\displaystyle \Delta \,V^{lv}={\frac {RT}{P^{sat}}}\Delta \,Z^{lv}} โดยที่ Δ Z l v {\displaystyle \Delta \,Z^{lv}} คือค่าการเปลี่ยนแปลงของ compressibility factor จากการกลายเป็นไอ เมื่อรวมสมการสองสมการข้างต้นเข้าด้วยกัน จะได้ d ln ⁡ P s a t d T = ( Δ H ) l v ( R T 2 Δ Z l v ) {\displaystyle {\frac {d\ln {P}^{sat}}{dT}}={\frac {(\Delta \,H)^{lv}}{(RT^{2}\Delta \,Z^{lv})}}} (73)หรือ d ln ⁡ P s a t ( d ( 1 / T ) = ( Δ H ) l v ( R Δ Z l v ) {\displaystyle {\frac {d\ln {P}^{sat}}{(d(1/T)}}={\frac {(\Delta \,H)^{lv}}{(R\Delta \,Z^{lv})}}} (74)