Уравнения состояния

Конкретный вид рассматривае­мой термодинамической системы задают уравнения состояния, которые связывают между собой параметры системы. Различ­ные физические системы, имеющие одинаковые уравнения со­стояния, с точки зрения термодинамики неразличимы.

Уравнения состояния не могут быть найдены в рамках тер­модинамики, они должны быть привнесены извне. Сущест­вует два способа их поиска — экспериментальный и теоре­тический.

Экспериментальный способ заключается в выполнении обширных и точных измерений параметров конкретной системы (например, водяного пара) в различ­ных равновесных состояниях. Полученные в результате этого таблицы после обработки данных дают эмпирические формулы, содержащие большое число констант. Другой путь — проведение теоретического исследования некото­рых математических моделей, которые, как предполагает­ся, описывают нашу систему. Эти расчеты обычно выпол­няются в рамках статистической физики.

Если некоторую систему называют, например, идеальным газом, то для термодинамики это означает только, что ее уравнение состояния имеет вид:

PV = RT,

где R — некото­рая константа.

Уравнение PV = RT хо­рошо подходит для описа­ния состояния воздуха в комнатных условиях, но еще больше оно подходит для описания свойств электронных облаков в по­лупроводниках. Для пер­вого случая лучше исполь­зовать уравнение

(p + a / V)(V — b) = RT.

Здесь a и b некоторые по­ложительные константы. Термодинамическая мо­дель с таким уравнением состояния называется ре­альным газом. Она ис­пользуется для описания свойств газа и даже газо­жидкостных систем (на­пример, вода — водяной пар). С успехом применя­ют ее и для описания ней­тронного газа внутри пульсара. Смысл констант a и b для термодинамики несуществен.

В статистической физике, интересующейся тем, как получаются параметры из характеристик отдельных частиц, установлено, что эти поправки учитывают объем частиц газа и силы взаимодействия между ними.

Пылевидное уравнение состояния:

P = 0, W = MC²

широ­ко используется для описания таких больших термодина­мических систем, как пылевые облака и скопления звезд или галактик. В космологии это уравнение применяется для описания состояния вещества, заполняющего Вселенную в современную эпоху.

Энергия системы, зависящая от ее внутреннего состоя­ния, т. е. являющаяся некоторой функцией параметров со­стояния:

U = U (T, V, p, E),

называется внутренней энерги­ей термодинамической системы. Материал с сайта http://worldof.school

Предельно жесткое урав­нение состояния

W = 3PV,

где W — энергия, применяет­ся для описания равновес­ного электромагнитного излучения, заполняющего полость, образованную адиабатическими стенка­ми. Оно также использует­ся для описания вещества, заполнявшего Вселенную сразу после Большого Взрыва. Если скорость ча­стиц мало отличается от скорости света (ультрарелятивистские частицы), то их массой покоя можно пренебречь и рассматри­вать такие частицы как безмассовые (аналогич­ные фотонам или нейтри­но).

На этой странице материал по темам:

• Уравнение состояния реального газа шпора

• Жёсткие уравнения состояния