toestandsvergelijking

Toestandsvergelijking is een wiskundige relatie die de toestand van een thermodynamisch systeem beschrijft door de koppeling tussen de belangrijkste toestandvariabelen. Een toestandsvergelijking geeft doorgaans een relatie tussen druk (P), volume (V) en temperatuur (T) en kan, afhankelijk van de stof, ook entropie (S), interne energie (U), enthalpie (H) of Gibbs- en Helmholtzvrije energie bevatten. In een gegeven toestand bepaalt de vergelijking hoe P, V en T zich tot elkaar verhouden; het is een toestandseigenschap, en de relatie is onafhankelijk van het pad dat het systeem heeft gevolgd.

Veelvoorkomende voorbeelden zijn de ideale gaswet PV = nRT, die geldt voor ideale gassen bij lage densiteit; en de van der Waals-vergelijking (P + a/v^2)(v - b) = RT (per mol: (P + a/v^2)(v - b) = RT), die rekening houdt met moleculair volume en aantrekkingskrachten. Voor realistische systemen bestaan er cubic equations of state zoals Peng-Robinson en Soave-Redlich-Kwong, die P, V en T beschrijven voor vloeistoffen en gassen en vaak worden toegepast op mengsels. Daarnaast bestaan er viriale uitbreidingen die afwijkingen van het ideale gedrag beschrijven.

Toepassingen van toestandsvergelijkingen omvatten het voorspellen van P–V–T-verbindingen, het bepalen van fasetransities en thermodynamische eigenschappen zoals enthalpie en entropie, en het ondersteunen van ontwerp, simulatie en procesberekeningen in de chemische industrie, olie- en gasproductie en materiaalwetenschappen. De nauwkeurigheid en toepassingsbereik van een toestandsvergelijking hangen af van de stof en van de parameters die zijn afgeleid uit experimenten of moleculaire modellering.