При каком условии выполняется уравнение состояния. Уравнение состояния вещества

уравнение состояния

термическое уравнение состояния выражает связь между давлением p, температурой Т и удельным объемом v (или плотностью?) гомогенного вещества в состоянии равновесия: f(p,T,v)=0.

Калорическое уравнение состояния выражает зависимость какой-либо калорической величины (внутренней энергии, энтальпии, теплоемкости и т.п.) от р и Т или v и Т. Из уравнения состояния для различных агрегатных состояний наиболее обоснованы уравнения состояния для газов. Уравнение состояния моля идеального газа?=RT/v, где R - газовая постоянная (см. Клапейрона уравнение). Для реальных газов применяют вириальное уравнение состояния,где В2, В3... - 2-й, 3-й и т.д. вириальные коэффициенты, отражающие взаимодействие молекул и являющиеся функциями температуры (также Ван-дер-Ваальса уравнение).

Уравнение состояния

связывает давление р, объём V и температуру Т физически однородной системы в состоянии равновесия термодинамического: f (p, V, Т) = 0. Это уравнение называется термическим У. с., в отличие от калорического У. с., определяющего внутреннюю энергию системы U как функцию какого-либо двух из трёх параметров р, V, Т. Термическое У. с. позволяет выразить давление через объём и температуру р = p (V, Т) и определить элементарную работу dA = = pdV при бесконечно малом расширении системы dV. У. с. является необходимым дополнением к термодинамическим законам, которое делает возможным их применение к реальным веществам. Оно не может быть выведено с помощью одних только законов термодинамики, а определяется или рассчитывается теоретически на основе представлений о строении вещества методами статистической физики. Из первого начала термодинамики следует лишь существование калорического У. с., а из второго начала термодинамики √ связь между термическим и калорическим У. с. , откуда вытекает, что для идеального газа внутренняя энергия не зависит от объёма ═= 0. Термодинамика показывает, что для вычисления как термического, так и калорического У. с., достаточно знать любой из потенциалов термодинамических в виде функции своих параметров. Например, если известна Гельмгольцева энергия F как функция Т и V, то У. с. находят дифференцированием:

Примерами У. с. для газов может служить Клапейрона уравнение для идеального газа pu = RT, где R √ газовая постоянная , u √ объём 1 моля газа;

══ Ван-дер-Ваальса уравнение, где а и b √ постоянные, зависящие от природы газа и учитывающие влияние сил притяжения между молекулами и конечность из объёма, вириальное У. с. для неидеального pu / RT = 1 + B (T)/ u + С (Т)/ u2 +.., где В (Т), С (Т)... √ 2-й, 3-й и т.д. вириальные коэффициенты, зависящие от сил взаимодействия между молекулами (см. Газы). Это уравнение является наиболее надёжным и теоретически обоснованным У. с. для газов и позволяет объяснить многочисленные экспериментальные результаты на основании простых моделей межмолекулярного взаимодействия. Были предложены также различные эмпирические У. с., основанные на экспериментальных данных о теплоёмкости и сжимаемости. У. с. неидеальных газов указывает на существование критической точки (с параметрами pk, Vk, Tk), в которой газообразная и жидкая фазы становятся идентичными (см. Критическое состояние). Если У. с. представить в виде приведенного У. с., т. е. в безразмерных переменных p/pk, V/Vk, T/Tk, то при не слишком низких температурах это уравнение мало меняется для различных веществ (закон соответственных состояний).

Для равновесного излучения, или фотонного газа, У. с. определяется Планка законом излучения для средней плотности энергии.

Для жидкостей из-за сложности учёта всех особенностей взаимодействия молекул пока не удалось теоретически получить общее У. с. Уравнение Ван-дер-Ваальса хотя и применяют для качественной оценки поведения жидкостей, но оно по существу неприменимо ниже критической точки, когда возможно сосуществование жидкой и газообразной фаз. У. с., хорошо описывающее свойства ряда простых жидкостей, можно получить из приближённых теорий жидкого состояния типа теории свободного объёма или дырочной теории (см. Жидкость). Знание распределения вероятности взаимного расположения молекул (парной корреляционной функции) принципиально позволяет вычислить У. с. жидкости, но эта задача очень сложна и полностью ещё не решена даже с помощью вычислительных машин.

Для твёрдых тел термическое У. с. определяет зависимость модулей упругости от температуры и давления. Оно может быть получено на основании теории теплового движения в кристаллах, рассматривающей фононы и их взаимодействие, но пока общего У. с. для твёрдых тел не найдено.

Для магнитных сред элементарная работа при намагничивании равна dA = -НdМ, где М √ магнитный момент, Н √ напряжённость магнитного поля. Следовательно, зависимость М = М (Н, Т) представляет собой магнитное У. с.

Для электрически поляризуемых сред элементарная работа при поляризации равна dA = -ЕdР где Р - поляризация, Е - напряжённость электрического поля, следовательно, У. с. имеет вид Р = (Е, Т).

Лит.: Хилл Т., Статистическая механика, пер. с англ., М., 1960; Вукалович М. П., Новиков И. И., Уравнение состояния реальных газов, М. √ Л., 1948; Мейсон Э., Сперлинг Т., Вириальное уравнение состояния, пер. с англ., М., 1972; Лейбфрид Г., Людвиг В., Теория ангармонических эффектов в кристаллах, пер. с англ., М., 1963. См. также лит. при статьях Статистическая физика и Термодинамика.

Д. Н. Зубарев.

Википедия

Уравнение состояния

Уравне́ние состоя́ния - уравнение, связывающее между собой термодинамические параметры системы, такие, как температура , давление , объём , химический потенциал и др. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными.

Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта или из модели, созданной в рамках статистической физики). Термодинамика же не рассматривает вопросы внутреннего устройства вещества.

Заметим, что соотношения, задаваемые уравнением состояния, справедливы только для состояний термодинамического равновесия.

Уравнение состояния (космология)

Уравне́ние состоя́ния космологической модели - зависимость p (ɛ ) давления от массовой плотности энергии среды в данной модели.

Во фридмановской теории тяготение создаётся не только плотностью вещества, но и давлением среды: плотность эффективной гравитирующей энергии ɛ  = ɛ  + 3 ⋅ p ,  где p - давление среды, а ɛ - плотность энергии среды, ɛ  = c  ⋅ ρ ,  где ρ - массовая плотность энергии среды, c - скорость света.

Давление выражают через уравнение состояния p (ɛ ),  или используют безразмерный параметр - отношение давления к плотности энергии $w=\frac p \varepsilon ,$ тогда уравнение состояния:

p  = w  ⋅ ɛ .

Для разных сред w имеет разное значение. Ниже предполагаем, что плотность среды выше нуля. Возможны следующие 9 вариантов:

1. Фантомная энергия (см. фантомная космология ) - среда с отрицательной гравитацией большей (по модулю), чем у вакуума.

w  При таком уравнении состояния плотность среды со временем увеличивается, отрицательная гравитация возрастает и через конечное время станет бесконечной, и во Вселенной произойдёт Большой Разрыв. Ещё одна особенность такой среды заключается в том, что скорость звука в ней выше скорости света c .

2. Вакуум - среда с отрицательной гравитацией.

w  =  − 1.

Соответственно:

p  =  − ɛ . ɛ  =  − 2 ⋅ ɛ .

В уравнениях Эйнштейна энергия вакуума описывается космологической постоянной $\Lambda=\frac {8 \cdot \pi \cdot G} {c^4} \cdot \varepsilon_V.$

По последним данным плотность энергии вакуума во Вселенной составляет Ω = 0, 728 от критической плотности.

3. Квинтэссенция - среда с отрицательной гравитацией ниже, чем у вакуума.

$-1 Только при $wтёмной энергии - это либо вакуум, либо фантомная энергия, либо квинтэссенция.

4. Среда, в которой отсутствует и положительная и отрицательная гравитация.

$w=-\frac 1 3.$

5. Среда, в которой гравитация ниже, чем у пыли.

$-\frac 1 3 6. Пылевое облако, обычная барионная материя и холодная тёмная материя (давление среды отсутствует, p  = 0). w  = 0.

Соответственно:

p  = 0;  ɛ  = ɛ .

По последним данным плотность энергии обычной холодной барионной материи во Вселенной составляет Ω = 0, 0456 ± 0, 0016 от критической плотности, а плотность холодной тёмной материи составляет Ω = 0, 227 ± 0, 014 от критической плотности, что в сумме даёт Ω = 0, 272 от критической плотности.

7. Среда, в которой гравитация выше, чем у пыли, но ниже, чем у излучения.

$0 8. Ультрарелятивистская среда, в том числе реликтовое излучение ; также массивные частицы в ранней Вселенной, когда температура значительно превосходит массы частиц: $w=\frac 1 3.$

Поведение Вселенной определялось близким к этому уравнением состояния на временно́м интервале от планковской эпохи до эпохи рекомбинации.

Соответственно:

$p_R=\frac1 3\cdot \varepsilon_R;$ ɛ  = 2 ⋅ ɛ .

9. Среда, в которой гравитация выше, чем у излучения.

$\frac 1 3 Аналогично при w  > 1 скорость звука в такой среде выше скорости света c .

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, ко­торая называется уравнением со­стояния . Опыт показывает, что удель­ный объем, температура и давление про­стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состо­яния вида .

Уравнению состояния можно придать другую форму:

Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяю­щих состояние системы, независимыми являются два любых.

Для решения задач методами термо­динамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не мо­жет быть получено в рамках термодина­мики и должно быть найдено либо экспе­риментально, либо методами статистиче­ской физики. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств вещества.

Уравнение состояния идеальных га­зов

Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что .

Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова­тельно, , получим: .

Постоянную величину Nk, отнесен­ную к 1 кг газа, обозначают буквой R и называют газовой постоян­ной . Поэтому

Или . (1.3)

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.

Умножив (1.3) на М, получим урав­нение состояния для произвольной массы газа М:

Уравнению Клапейрона можно при­дать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна молеку­лярной массе μ. Положив в (1.4) М= μ и V=V μ, получим для одного моля урав­нение Клапейрона - Менделеева:

Здесь - объем киломоля газа, а - универсальная газовая постоянная.

В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех иде­альных газов, при нормальных физических условиях равен 22,4136 м 3 , поэтому

Газовая постоянная 1 кг газа составляет .

Уравнение состояния реальных га­зов

В реальных газах в отличие от иде­альных существенны силы межмолеку­лярных взаимодействий (силы притяже­ния, когда молекулы находятся на значи­тельном расстоянии, и силы отталкивания при достаточном сближении их друг с другом) и нельзя пренебречь собствен­ным объемом молекул.

Наличие межмолекулярных сил от­талкивания приводит к тому, что молеку­лы могут сближаться между собой толь­ко до некоторого минимального расстоя­ния. Поэтому можно считать, что свобод­ный для движения молекул объем будет равен , где b - тот наименьший объем, до которого можно сжать газ. В соответствии с этим длина свободного пробега молекул уменьшается и число ударов о стенку в единицу времени, а следовательно, и давление увеличива­ется по сравнению с идеальным газом в отношении , т. е.

Силы притяжения действуют в том же направлении, что и внешнее давле­ние, и приводят к возникновению молеку­лярного (или внутреннего) давления. Сила молекулярного притяжения каких-либо двух малых частей газа пропорцио­нальна произведению числа молекул в каждой из этих частей, т. е. квадрату плотности, поэтому молекулярное давле­ние обратно пропорционально квадрату удельного объема газа: рмол = а/v 2 , где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа.

Отсюда получаем уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.):

При больших удельных объемах и сравнительно невысоких давлениях ре­ального газа уравнение Ван-дер-Ваальса практически вырождается в уравнение состояния идеального газа Клапейрона, ибо величина a /v 2

(по сравнению с p) и b (по сравнению с v) становятся прене­брежимо малыми.

Уравнение Ван-дер-Ваальса с ка­чественной стороны достаточно хорошо описывает свойства реального газа, но результаты численных расчетов не всег­да согласуются с экспериментальными данными. В ряде случаев эти отклонения объясняются склонностью молекул ре­ального газа к ассоциации в отдельные группы, состоящие из двух, трех и более молекул. Ассоциация происходит вслед­ствие несимметричности внешнего элек­трического поля молекул. Образовавши­еся комплексы ведут себя как самостоя­тельные нестабильные частицы. При столкновениях они распадаются, затем вновь объединяются уже с другими мо­лекулами и т. д. По мере повышения тем­пературы концентрация комплексов с большим числом молекул быстро уменьшается, а доля одиночных молекул растет. Большую склонность к ассоциа­ции проявляют полярные молекулы во­дяного пара.

Все параметры, включая температуру, зависят друг от друга. Эта зависимость выражается уравнениями типа

F(X 1 ,X 2 ,...,x 1 ,x 2 ,...,T) = 0,

где Х 1 ,Х 2 ,... - обобщенные силы, х 1 ,х 2 ,... - обобщенные координаты, а Т - температура. Уравнения, устанавливающие зависимость между параметрами, называютсяуравнениями состояния .

Уравнения состояния приводятся для простых систем, преимущественно - для газов. Для жидкостей и твердых тел, принимаемых, как правило, несжимаемыми, уравнения состояния практически не предлагались.

К середине ХХ в. было известно значительное число уравнений состояния для газов. Однако развитие науки пошло таким путем, что почти все они не нашли применения. Единственное уравнение состояния, которое продолжает широко использоваться в термодинамике, - уравнение состояния идеального газа.

Идеальным газом называется газ, приближающийся по свойствам к газу низкомолекулярного вещества, находящегося при очень низком давлении и сравнительно высокой температуре (достаточно далекой от температуры конденсации).

Для идеального газа выполняются:

закон Бойля - Мариотта (при постоянной температуре произведение давления газа на его объем остается постоянным для данного количества вещества)

закон Гей-Люссака (при постоянном давлении отношение объема газа к температуре остается постоянным)

закон Шарля (при постоянном объеме отношение давления газа к температуре остается постоянным)

С. Карно объединил перечисленные выше соотношения в единое уравнение типа

Б. Клапейрон придал этому уравнению форму, близкую к современной:

Объем V, входящий в уравнение состояния идеального газа, относится к одному молю вещества. Его называют также молярным объемом .

Общепринятое название постоянной R - универсальная газовая постоянная (очень редко можно встретить название «постоянная Клапейрона» ). Значение ее составляет

R=8,31431Дж/моль  К.

Приближение реального газа к идеальному означает достижение настолько больших расстояний между молекулами, при которых можно полностью пренебречь их собственным объемом и возможностью взаимодействия, т.е. существования сил притяжения или отталкивания между ними.

Ван-дер-Ваальс предложил уравнение, учитывающее эти факторы, в следующей форме:

где a и b - постоянные, определяемые для каждого газа отдельно. Остальные величины, входящие в уравнение Ван-дер-Ваальса, имеют тот же смысл, что и в уравнении Клапейрона.

Возможность существования уравнения состояния означает, что для описания состояния системы можно указывать не все параметры, а их число, меньшее на единицу, так как один из них может быть определен (хотя бы гипотетически) из уравнения состояния. Например, для описания состояния идеального газа достаточно указать только одну из следующих пар: давление и температуру, давление и объем, объем и температуру.

Объем, давление и температуру иногда называют внешними параметрами системы.

Если допускается одновременное изменение объема, давления и температуры, то система имеет два независимых внешних параметра.

Система, находящаяся в термостате (устройстве, обеспечивающем постоянство температуры) или маностате (устройстве, обеспечивающем постоянство давления), имеет один независимый внешний параметр.

УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ , ур-ния, выражающие связь между физически однородной системы при термодинамич. равновесии. Термическое У.с. связывает р с объемом V и температурой T, а для - также с составом (молярными долями компонентов). Калорическое У. с. вьюажает внутр. энергию системы как ф-цию V, T и состава. Обычно под У. с., если специально не оговаривается, подразумевают термич. У. с. Из него можно непосредственно получить коэф. термич. расширения, коэф. изотермич. сжатия, термич. коэф. (упругости). У. с. является необходимым дополнением к термодинамич. законам. Пользуясь У. с., можно раскрыть зависимость термодинамич. ф-ций от V и р, проинтегрировать дифференц. термодинамич. соотношения, рассчитать (фугитивносги) , через которые обычно записывают условия . устанавливает связь между У. с. и любым из системы, выраженным в виде ф-ции своих естественных переменных. Напр., если известна (свободная энергия) F как ф-ция T и V, то У. с. не может быть получено с помощью одних только законов , оно определяется из опыта или выводится методами статистич. физики. Последняя задача очень сложная и м. б. решена лишь для упрощенных моделей системы, напр, для . У. с., применяемые для реальных систем, имеют эмпирич. или полуэмпирич. характер. Ниже рассмотрены некоторые наиб, известные и перспективные У. с.

Для неполярных и слабо полярных веществ ур-ние БВР дает очень точные результаты. Для индивидуального вещества оно содержит восемь подгоночных параметров, для смеси дополнительно вводятся параметры смешанного ("бинарного") взаимодействия. Оценка большого числа подгоночных параметров - задача очень сложная, требующая многочисленных и разнообразных эксперим. данных. Параметры ур-ния БВР известны лишь для неск. десятков веществ, главным образом и неорг. . Модификации ур-ния, направленные, в частности, на повышение точности описания свойств конкретных веществ, содержат еще большее число подгоночных параметров. Несмотря на это, добиться удовлетворит, результатов для полярных веществ не всегда удается. Усложненность формы затрудняет использование У. с. этого типа при расчетах процессов , когда необходимо выполнять многократную оценку компонентов, объема и энтальпии системы.

При описании смесей веществ эмпирич. постоянные У. с. считаются зависящими от состава. Для кубич. У. с. ван-дер-ва-альсового типа общеприняты квадратичные правила , согласно которым постоянные а и b для смеси определяют из соотношений:

где x i , x j - молярные доли компонентов, величины a ij и b ij связывают с постоянными для индивидуальных веществ a ii , a jj и b ii , b jj согласно комбинационным правилам:

a ij = (a ii a jj) 1/2 (1-k ij); 6 ij = (b ii +b jj)/2,

где k ij - подгоночные параметры смешанного взаимод., определяемые по эксперим. данным. Однако квадратичные правила не позволяют получить удовлетворит, результаты для т. наз. асимметричных систем, компоненты которых сильно отличаются по полярности и мол. размерам, напр, для смесей с .

M. Гурон и Дж. Видал в 1979 сформулировали правила нового типа, опирающиеся на модели локального состава, которые успешно передают асимметрию концснтрац. зависимостей избыточного потенциала Гиббса G E для жидких смесей и позволяют существенно улучшить описание . Суть подхода состоит в том, что приравнивают величины G E жидкого раствора, получаемые из У. с. и рассчитываемые согласно выбранной модели локального состава [ур-ния Вильсона, NRTL (Non-Random Two Liquids equation), UNIQAC (UNIversal QUAsi-Chemical equation), UNIFAC (UNIque Functional group Activity Coefficients model); CM. неэлектролитов]. Это направление интенсивно развивается.

Многие двухпараметрич. У. с. (Ван-дер-Ваальса, вириаль-ное с третьим вириальным коэф. и др.) можно представить в виде приведенного У. с.:

f(p пр, Т пр, V пр)= 0,

где p пр = р/р крит, Т пр =Т/Т крит, V пр = V/V крит - состояния. В-ва с одинаковыми значениями р пр и Т пр имеют одинаковый приведенный объем V np ; совпадают также факторы Z = pV/RT, коэф. и некоторые др. термодинамич. ф-ции (см. Соответственных состояний закон). Более общий подход, который позволяет расширить круг рассматриваемых веществ, связан с введением в приведенное У. с. дополнит, параметров. Наиб, простые среди них - фактор критич. Z кpит = р крит V кpит /RT кpит. и ацентрич. фактор w= -Ig p пр -1 (при Т пр = 0,7). Ацентрич. фактор является показателем несферичности поля межмол. сил данного вещества (для он близок к нулю).

К. Питцер предложил пользоваться для расчета фактора линейным разложением

Z(T кpит, р крит) = Z 0 (T кpит, р крит)+ wZ"(T кpит, р крит),

где Z 0 означает фактор "простой" , напр, a Z" характеризует отклонения от модели простой (см. Жидкость). Предложены , определяющие зависимости Z°(T кpит, р крит)

и Z"(T кpит, р крит). Наиб, известны корреляции Ли и Кесслера, в которых зависимость Z 0 от T кpит и р крит передается с помощью ур-ния БВР для . Зависимость Z" от T кpит и р крит установлена при выборе в качестве "эталонной" н-октана. Принимается, что Z"(T кpит, р крит) = /w*, где w* - фактор ацентричности н-октана, Z* - его фактор согласно ур-нию БВР. Разработана методика применения ур-ния Ли-Кесслера и для жидких смесей. Это У. с. наиб, точно описывает термодинамич. свойства и для неполярных веществ и смесей.

Наряду с вышеупомянутыми эмпирич. У. с. важное значение приобрели ур-ния, обладающие возможностями учета особенностей структуры и межмол. взаимод. Они опираются на положения статистич. теории и результаты численных экспериментов для модельных систем. Согласно мол.-статистич. трактовке, ур-ние Ван-дер-Ваальса описывает флюид твердых притягивающихся сфер, рассматриваемый в приближении среднею поля. В новых ур-ниях уточняется прежде всего член ур-ния Ван-дер-Ваальса, обусловливаемый силами межчастичного отталкивания. Значительно точнее приближение Кариахана- Старлинга, опирающееся на результаты численного флюида твердых сфер в широком диапазоне плотностей. Оно используется во многих У. с., однако большие возможности имеют У. с. модельных систем твердых частиц, в которых учитывается асимметрия мол. формы. Напр., в ур-нии BACK (Boublik-Alder-Chen-Kre-glewski) для оценки вклада сил отталкивания служит У. с. флюида твердых частиц, имеющих форму гантелей. Для учета вклада сил притяжения употребляют выражение, аппроксимирующее результаты, полученные методом мол. динамики для флюида с межчастичными потенциалами типа прямоугольной ямы (см. Молекулярная динамика). Ур-ние BACK и его аналоги позволяют с достаточной точностью описывать смеси, не содержащие высококипящих компонентов.

Особенность описания смесей высококипящих орг. B-B -необходимость учета дополнительной вращательно-колебат. степени свободы, связанной со смещениями сегментов молекул-цепочек (напр., C 8). Для этих систем наиб, распространение получило ур-ние PHCT (Perturbed Hard Chain Theory), предложенное Дж. Прауснитцем и M. До-нахью в 1978. Индивидуальное вещество характеризуется тремя эмпирич. параметрами в ур-нии PHCT. Комбинационные правила для смеси содержат один параметр смешанного взаимодействия. Дальнейшее усовершенствование ур-ния PHCT основано на замене потенциала прямоугольной ямы, описывающей притяжение , потенциалом Леннард-Джонса [ур-ние PSCT (Perturbed Soft Chain Theory)] и на учете межмол. сил [ур-ние PACT (Perturbed Anisotropic Chain Theory)]. Последнее ур-ние хорошо описывает в системах с полярными компонентами даже без использования подгоночных параметров парного взаимодействия.

Параметры, совокупностью которых определяется состояние системы, связаны друг с другом. При изменении одного из них изменяется по крайней мере хотя бы еще один. Эта взаимосвязь параметров находит выражение в функциональной зависимости термодинамических параметров .

Уравнение, связывающее термодинамические параметры системы в равновесном состоянии (например, для однородного тела – давление, объем, температура) называется уравнением состояния . Общее число уравнений состояния системы равно числу ее степеней свободы (вариантности равновесной системы), т.е. числу независимых параметров, характеризующих состояние системы .

При изучении свойств равновесных систем термодинамика прежде всего рассматривает свойства простых систем. Простой системой называют систему с постоянным числом частиц, состояние которой определяется только одним внешним параметром «а» и температурой, т.е. простая система-это однофазная система, определяемая двумя параметрами.

Так, уравнение

является уравнением состояния чистого вещества при отсутствии внешних электрических, магнитных, гравитационных полей. Графически уравнение состояния выразится поверхностью в координатах P -V -T , которую называют термодинамической поверхностью . Каждое состояние системы на такой поверхности изобразится точкой, которую называют фигуративной точкой . При изменении состояния системы фигуративная точка перемещается по термодинамической поверхности, описывая некоторую кривую . Термодинамическая поверхность представляет геометрическое место точек, изображающих равновесное состояние системы в функциях от термодинамических параметров .

Вывести уравнение состояния на основе законов термодинамики нельзя; они или устанавливаются из опыта, или находятся методами статистической физики.

Уравнения состояния связывают температуру Т , внешний параметр а i (например, объем) и какой-либо равновесный внутренний параметр b k (например, давление).

Если внутренним параметром b k является внутренняя энергия U , то уравнение

называется уравнением энергии или калорическим уравнением состояния .

Если внутренним параметром b k является сопряженная внешнему параметру а i сила А i (например, давление Р является силой объема V ), то уравнение

называется термическим уравнением состояния.

Термические и калорические уравнения состояния простой системы имеют вид:

Если А = Р (давление) и, следовательно, а = V (объем системы), то уравнения состояния системы запишутся соответственно:

Например, при изучении газообразного состояния используют понятие идеального газа. Идеальный газ представляет собой совокупность материальных точек (молекул или атомов), находящихся в хаотическом движении. Эти точки рассматриваются как абсолютно упругие тела, обладающие нулевым объемом и не взаимодействующие между собой.

Для такой простой системы как идеальный газ термическим уравнением состояния является уравнение Клапейрона-Менделеева

где Р – давление, Па; V – объем системы, м 3 ; n – количество вещества, моль; Т – термодинамическая температура, К; R – универсальная газовая постоянная:

Калорическим уравнением состояния идеального газа является закон Джоуля о независимости внутренней энергии идеального газа от объема при постоянной температуре:

где С V – теплоемкость при постоянном объеме. Для одноатомного идеального газа С V не зависит от температуры, поэтому

или, если Т 1 = 0 К, то .

Для реальных газов эмпирически установлено более 150 термических уравнений состояния. Наиболее простым из них и качественно правильно передающим поведение реальных газов даже при переходе их в жидкость является уравнение Ван-дер-Ваальса :

или для n молей газа:

Это уравнение отличается от уравнения Клапейрона-Менделеева двумя поправками: на собственный объем молекул b и на внутреннее давление а /V 2 , определяемое взаимным притяжением молекул газа (а и b – константы, не зависящие от Т и Р , но разные для различных газов; в газах с бóльшим а при постоянных Т и V давление меньше, а с бóльшим b – больше).

Более точными двухпараметрическими термическими уравнениями состояния являются:

первое и второе уравнения Дитеричи :

уравнение Бертло :

уравнение Редлиха-Квонга :

Приведенные уравнения Бертло, Дитеричи и особенно Редлиха-Квонга имеют более широкую область применимости, чем уравнение Ван-дер-Ваальса. Следует отметить, однако, что постоянные а и b для данного вещества не зависят от температуры и давления только в небольших интервалах этих параметров. Двухпараметрические уравнения типа Ван-дер-Ваальса описывают и газообразную, и жидкую фазы, и отражают фазовый переход жидкость-пар, а также наличие критической точки этого перехода , хотя точных количественных результатов для широкой области газообразного и жидкого состояний с помощью этих уравнений при постоянных параметрах а и b получить не удается.

Изотермы идеального и реального газов, а также газа Ван-дер-Ваальса представлены на рис. 1.1.

Рис. 1. Изотермы различных газов.

Точное описание поведения реального газа можно получить с помощью уравнения, предложенного в 1901 году Каммерлинг-Оннесом и Кизомом и получившего название уравнения состояния с вириальными коэффициентами или вириального уравнения состояния :

которое записывается как разложение фактора сжимаемости

по степеням обратного объема . Коэффициенты В 2 (Т ), В 3 (Т ) и т.д. зависят только от температуры , называются вторым, третьим и т.д. вириальным коэффициентом и описывают отклонения свойств реального газа от идеального при заданной температуре . Вириальные коэффициенты В i (Т ) вычисляются из опытных данных по зависимости PV для заданной температуры.