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.
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).
