משוואת מצב

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Disambig RTL.svg המונח "משוואת המצב" מפנה לכאן. לערך העוסק במונח מתחום הבקרה, ראו מרחב המצב.

בפיזיקה, משוואת המצב של גוף היא יחס פונקציונלי הקושר בין שלושה גדלים אינטנסיביים מרכזיים של מערכת: הלחץ P, הטמפרטורה T, והצפיפות \ \rho (או הנפח). משוואת המצב  f\left(\rho,T,P \right) = 0 קושרת את שלושת הגדלים המאקרוסקופיים, ומתארת כיצד שינוי בכל שניים מהם משפיע על השלישי.

משוואת המצב הפשוטה ביותר היא זו של גז אידאלי, שבו אין אינטראקציות בין האטומים: \ P=NkT/V, כאשר \ k הוא קבוע בולצמן של הגז, ו-\ N הוא מספר החלקיקים . האטמוספירה של כדור הארץ מקיימת משוואה זו, בקירוב טוב.

אם קיימת אינטראקציה בין האטומים או המרכיבים השונים בגוף, משוואת המצב (הנקראת במקרים כאלה 'משוואת מצב של גז לא אידאלי') נעשית מורכבת מאד, וקשה לחישוב מדויק. את המשוואה אפשר לפתח לטור חזקות, הנקרא הפיתוח הוויראלי של משוואת המצב:  P=kT\left[n+B_{2}\left(T\right)n^2+B_{3}\left(T\right)n^3+...\right]. מקדמי המשוואה,  B_{i}\left(T\right), נקראים "המקדמים הוויראליים", והם תלויים בטמפרטורה בלבד. כדי למצוא את משוואת המצב באופן אמפירי, או אמפירי-למחצה, עורכים סדרות של ניסויים, שבהם גלי הלם יוצרים אזור של לחץ גבוה, בתנאי טמפרטורה שונים, ומודדים את הצפיפות בכל מקרה ומקרה.

כאשר החומר צפוף והאינטראקציה בין המרכיבים משמעותית, יש לקחת בחשבון אפקטים קוונטיים, המסבכים את המצב עוד יותר.

התחום הקושר את משוואת המצב עם התכונות האטומיות של הגוף (התכונות המיקרוסקופיות) נקרא מכניקה סטטיסטית.

למשוואת מצב יש חשיבות גובהה באסטרופיזיקה ומדעים פלנטריים: היחסים בין לחף, נפח וציפות קובעים במידה רבה את המבנה הפנימי של גופים כמו כוכבים וכוכבי לכת. אחת הבעיות הקשות בתחום זה היא חוסר אפשרות לבצע ניסוי מעבדה המגיע ללחצים גובהים כמו שקיימים בליבות של כוכבי לכת או כוכבים.