Что такое уравнение государства?

В термодинамике уравнение состояния (EOS) - это математическое выражение, которое описывает взаимосвязь между переменными состояния - обычно наблюдаемыми и измеряемыми свойствами макроскопически - для конкретного состояния. Это состояние может быть твердым, жидким, газообразным или плазменным. Наблюдаемые или свойства, используемые в уравнении состояния, могут варьироваться теоретиком, но, как правило, они полностью описывают состояние. Например, уравнение состояния для «n» молей идеального газа может быть полностью описано с использованием уравнения PV = nRT, где P = давление, V = объем, R = постоянная идеального газа и T = температура. Обратите внимание, что EOS предназначен для описания не более одного состояния, независимо от того, является ли это состояние твердым, жидким или газообразным.

Чтобы уравнение состояния могло более точно приближать реальное поведение, параметры, такие как три, перечисленные выше, модифицируются дополнительными эмпирическими - экспериментальными - и даже вычислительными терминами. Среди этих терминов атомный объем, который вычитается из общего объема, и межмолекулярная сила, которая влияет на расстояние между частицами. Даже этих настроек может быть недостаточно. Чтобы согласовать уравнение состояния с измеренными данными, которые предполагается объяснить, могут потребоваться вириальные математические термины и итерационные вычислительные методы. Такие термины затрудняют интеллектуальную интерпретацию, но они улучшают практическое применение.

Приемлемое уравнение состояния может быть трудно вывести для жидких систем, потому что они испытывают гораздо большую степень молекулярного взаимодействия в результате того, что молекулы находятся гораздо ближе друг к другу, чем для газов. Жидкости подразделяются на основании величины таких взаимодействий, как неассоциированные или ассоциирующие. Большинство лондонских дисперсионных сил довольно слабы, и если они являются единственными присутствующими межмолекулярными силами, жидкость - возможно, нефть или другой углеводород - не ассоциируется. Если, однако, соединение молекул более сильное, как для молекул, связанных водородом, жидкость ассоциируется. Чем сильнее силы, тем сложнее математическое моделирование и соответствующее уравнение состояния.

Для разработки приемлемого уравнения состояния можно считать, что ассоциированные жидкости более похожи на твердые, чем неассоциированные жидкости. Некоторые ученые используют модель, включающую двумерную решетку, предполагая, что ассоциирующие жидкости обладают, по крайней мере, некоторыми твердыми характеристиками. Решетка, которая является двумерной, а не трехмерной, указывает, что твердотельный компонент поведения ограничен. Поскольку некоторые частицы не считаются частью решетки, название, присвоенное этой модели для жидкостей - будь то газ или жидкость - является теорией «газ решетки». Математика уравнений состояния жидкости в решетчатом газе может стать нелогичной и сложной, что хорошо видно на примере систем полимер-растворитель.