热力学中的状态方程
热力学中"状态方程"一词的含义
气体的膨胀比固体或液体的膨胀要复杂得多。这是因为气体能够膨胀以填充您放入的任何容器。
气体的体积取决于压力。但是,这也取决于温度。似乎还不够,我们还需要考虑其质量。因此,为了建立适当的气体数学模型,我们需要考虑气体的体积,压力,温度和质量。我们需要一个状态方程。
物理项压力P,体积V和温度T之间的关系称为状态方程。状态仅表示系统的物理状况。在这里,我们使用参数来指定我们感兴趣的物理关系。参数P,V和T称为状态变量。
我们气体系统的物理状态可能会发生变化。在炎热的天气里,您可能不愿意打开厨房内部的烤箱,特别是在没有空调的情况下。烤箱产生的热量使厨房内部的空气温度升高,这可能会使整个效率公寓内的空气变得难以承受。关闭烤箱,温度将停止升高。当系统的状态或物理条件发生变化,并且压力和温度等值停止增大或减小时,我们就达到了平衡状态。我们观察到的参数在整个系统中将是相同的,并且总体上不会随时间变化。
热力学的术语"状态"和"状态变量"不限于热力学;在宇宙学中,状态方程涉及暗能量或真空能量中压力与能量密度的比值,它只是宇宙常数w。在量子力学中,可以使用具有变量位置(空间)和时间的函数对微观粒子的量子状态进行建模。
状态方程式(EOS)的定义
假设处于平衡状态,则完全定义系统状态所需的三个属性是压力(P),体积(V)和温度(T)。因此,我们应该能够公式化与这三个变量相关的方程,形式为f(P,T,V)= 0。
状态方程(EOS)是状态变量之间的函数关系-通常是此类变量的完整集合。编写大多数EOS都是为了表达P,T和V之间的功能关系。也确实,大多数EOS仍然是经验性的或半经验性的。因此,定义为:
状态方程(EOS)是纯物质的压力,体积和温度之间的半经验函数关系。我们还可以通过调用适当的混合规则将EOS应用于混合物。
已经进行了许多尝试来获得理论上合理的EOS。但是,总的来说,在这方面没有取得太大的成功。结果,我们使用了所谓的半经验EOS。今天使用的大多数状态方程本质上都是半经验的,之所以如此,是因为它们适合于可用的数据。另外,通常针对纯物质开发状态方程。将它们应用于混合物需要附加变量(组成),因此需要适当的混合规则。
EOS的功能形式可以表示为:
f(P,V,T,ak = 1,np)= 0
其中k = EOS参数。
如前所述,当今大多数适用的EOS都是半经验的,因为它们具有一定的理论基础,但必须调整其参数(a k)。参数的数量(n p)确定EOS的类别/复杂性。例如,1参数EOS是n p = 1的EOS,而2参数EOS是n p = 2的EOS。" n p "越高,则EOS越复杂。同样,从总体上讲,EOS越复杂,它就越准确。然而,这并非总是如此; 在某些情况下,相当简单的EOS可以做得很好。
自理想气体定律(理想气体EOS)出现以来,已经提出了大量状态方程来描述实际气体行为。但是,其中许多还没有通过时间的考验。多年来,由于它们相对简单,因此很少有人坚持使用。在石油行业中,最常见的现代EOS是Peng Robinson EOS(PR EOS)和Soave-Redlich-Kwong EOS(SRK EOS)。这两个都是立方EOS,因此是van der Waals EOS的派生,我们将在下面进行讨论。还有其他更复杂的EOS,尽管它们尚未在我们的领域中得到广泛应用:
参考
李·凯斯勒EOS(LK EOS)
本尼迪克特-韦伯-鲁宾EOS(BWR EOS)
本尼迪克特·韦伯·鲁宾·史达琳EOS(BWRS EOS)
在天然气中,尤其是在天然气传输行业中,使用的标准EOS是AGA EOS;这是用于Z因子计算的超精确EOS
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