O que é uma equação de estado?

Na termodinâmica, uma equação de estado (EOS) é a expressão matemática que descreve a interconexão entre variáveis ​​de estado - geralmente propriedades macroscopicamente observáveis ​​e mensuráveis ​​- para um estado específico. Esse estado pode ser sólido, líquido, gás ou plasma. Observáveis ​​ou propriedades usadas em uma equação de estado podem variar pelo teórico, mas geralmente descrevem completamente o estado. Por exemplo, a equação de estado para “n” moles de um gás ideal pode ser completamente descrita usando a equação PV = nRT, onde P = pressão, V = volume, R = a constante ideal de gás e T = temperatura. Observe que uma EOS se destina a descrever não mais de um estado, seja ele sólido, líquido ou gasoso.

Para que uma equação de estado possa aproximar mais de perto o comportamento real, parâmetros como os três listados acima são modificados por termos empíricos adicionais - experimentais - e até computacionais. Entre esses termos estão o volume atômico, que subtrai do volume total, e a força intermolecular, que afeta a distância entre as partículas. Mesmo esses ajustes podem não ser suficientes. Para reconciliar uma equação de estado com os dados medidos, pretende-se explicar termos matemáticos viriais e métodos computacionais iterativos. Tais termos obscurecem a interpretação intelectual, mas melhoram a aplicação prática.

Uma equação de estado aceitável pode ser difícil de derivar para sistemas líquidos, porque eles experimentam um grau muito maior de interação molecular resultante de moléculas estarem muito mais próximas umas das outras do que para gases. Os líquidos são categorizados com base na magnitude de tais interações como não associadas ou como associadas. A maioria das forças de dispersão de Londres é bastante fraca e, se são as únicas forças intermoleculares presentes, o líquido - talvez um óleo ou outro hidrocarboneto - não é associado. Se, no entanto, a união de moléculas for mais forte, assim como ocorre com as moléculas ligadas a hidrogênio, o líquido estará associado. Quanto mais fortes as forças, mais complexa é a modelagem matemática e a equação de estado correspondente.

Para o desenvolvimento de uma equação de estado aceitável, os líquidos associados podem ser considerados mais semelhantes aos sólidos do que os líquidos não associados. Alguns cientistas usam um modelo que incorpora uma rede bidimensional, sugerindo que a associação de líquidos possui pelo menos algumas características sólidas. Uma treliça bidimensional em vez de tridimensional indica que o componente de comportamento sólido é limitado. Como algumas das partículas não são consideradas parte da treliça, o nome atribuído a este modelo para fluidos - sejam eles gasosos ou líquidos - é a teoria do “treliça-gás”. A matemática das equações de estado líquido de treliça e gás pode se tornar contra-intuitiva e complexa, como é bem ilustrado por sistemas de polímero em solvente.