熱力学の問題

ある純物質の液体の飽和蒸気圧を測定したところ、温度 $300\mathrm{K}$ で $P_1$、温度 $320\mathrm{K}$ で $2P_1$ であった。

この温度範囲での、この物質の 1 mol あたりの蒸発熱（モル蒸発熱）$L$ を、単位 $J/mol$ で有効数字 3 桁で求めよ。ただし、蒸発熱はこの温度範囲で一定とし、蒸気は理想気体とみなし、液体のモル体積は蒸気のモル体積に比べて無視できるものとする。気体定数を $R=8.31J/(\mathrm{mol}\cdot \mathrm{K})$、$\log 2=0.693$ とする。

ある純物質の固相と気相の共存曲線（昇華曲線）は、三重点の温度 $T_{\mathrm{t}}$ 以下の温度範囲で
$$\log \frac{P}{P_0}=a-\frac{b}{T}$$
と表される。ここで $P$ は飽和蒸気圧、$T$ は絶対温度、$P_0$ は圧力の基準値（正の定数）、$a$ は定数、$b$ は正の定数である。三重点における 1 mol あたりの融解熱は $L_{\mathrm{f}}$（$0<L_{\mathrm{f}}<Rb$）である。$R$ は気体定数である。

次の仮定をおく。
- 気相は理想気体とみなせる。
- 固相・液相のモル体積は気相のモル体積に比べて無視できる。
- 1 mol あたりの蒸発熱（液相 $\to$ 気相）は、三重点以上の考える温度範囲で温度によらない一定値である。

このとき、温度 $T$（$T>T_{\mathrm{t}}$）における液相の飽和蒸気圧 $P$ を、$P_0,a,b,L_{\mathrm{f}},R,T_{\mathrm{t}},T$ を用いて表せ。

物質量 $n$ の気体が、状態方程式
$$P=\frac{nRT}{V-nb}$$
に従うとする（$R$ は気体定数、$b$ は正の定数で、$V>nb$ の範囲を考える）。この気体を温度 $T$ を一定に保ったまま、体積 $2nb$ から $3nb$ まで準静的に膨張させた。このときの気体のエントロピー変化 $\Delta S$ を、$n$, $R$ を用いて表せ。ただし $\log$ は自然対数とする。

ある純物質の固相と気相が共存する曲線（昇華曲線）と、液相と気相が共存する曲線（蒸気圧曲線）が、三重点の近くでそれぞれ
$$\log \frac{P}{P_{\ast }}=\alpha -\frac{\beta }{T}(\text{昇華曲線}),\log \frac{P}{P_{\ast }}=\gamma -\frac{\delta }{T}(\text{蒸気圧曲線})$$
で表されることが測定からわかっている。ここで $P$ は圧力、$T$ は絶対温度、$P_{\ast }$ は圧力の単位となる正の定数、$\alpha$, $\beta$, $\gamma$, $\delta$ は $\alpha >\gamma$, $\beta >\delta >0$ を満たす定数である。

三重点での固相と液相のモル体積をそれぞれ $v_{\mathrm{s}}$, $v_{\mathrm{l}}$（$v_{\mathrm{l}}>v_{\mathrm{s}}>0$）とする。三重点における融解曲線（固相と液相の共存曲線）の傾き $\frac{dP}{dT}$ を、$R$（気体定数）, $\alpha$, $\gamma$, $v_{\mathrm{s}}$, $v_{\mathrm{l}}$ のうち必要なものを用いて求めよ。

ただし、昇華曲線・蒸気圧曲線にクラウジウス・クラペイロンの式を使うときは、固相・液相のモル体積は気相のモル体積に比べて無視でき、気相は理想気体とみなせるものとする。

ある金属は、圧力 $1.0\times 10^5\mathrm{Pa}$ のもとで温度 $T=600\mathrm{K}$ で融解する。この融点で、融解のモル潜熱は $L=4.8\times 10^{3}J/mol$、固体のモル体積は $V^{\mathrm{s}}=18.0\times 10^{-6}{\mathrm{m}}^3/mol$、液体のモル体積は $V^{\mathrm{l}}=18.6\times 10^{-6}{\mathrm{m}}^3/mol$ である。

この金属にかける圧力を $1.0\times 10^5\mathrm{Pa}$ から $\Delta P=1.0\times 10^7\mathrm{Pa}$ だけ増やす。この圧力の範囲で、融解曲線（固体と液体の共存曲線）の傾き $\frac{dT}{dP}$ は一定とみなし、その値は $T=600\mathrm{K}$ での $L$, $V^{\mathrm{s}}$, $V^{\mathrm{l}}$ を用いてクラウジウス・クラペイロンの式から求めてよいものとする。

融点は何 $\mathrm{K}$ 上昇するか。小数第 2 位まで求めよ。