משוואת מצב

.
בפיזיקה, משוואת המצב של גוף היא יחס פונקציונלי הקושר בין שלושה גדלים אינטנסיביים מרכזיים של מערכת: הלחץ  P, הטמפרטורה  T, והצפיפות  \ \rho  (או הנפח המולרי). משוואת המצב  f\left(\rho ,T,P\right)=0 קושרת את שלושת הגדלים, ומתארת כיצד שינוי בכל שניים מהם משפיע על השלישי.
משוואת המצב הפשוטה ביותר היא זו של גז אידיאלי, 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 אידיאלי') נעשית מורכבת מאוד, וקשה לחישוב מדויק. את המשוואה אפשר לפתח לטור חזקות, הנקרא הפיתוח הוויריאלי 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 הוויריאליים", 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 גבוהה באסטרופיזיקה ומדעים פלנטריים: היחסים בין לחץ, נפח וצפיפות קובעים במידה רבה את המבנה הפנימי של גופים כמו כוכבים וכוכבי לכת. אחת הבעיות הקשות בתחום זה היא חוסר האפשרות לבצע ניסוי מעבדה המגיע ללחצים גבוהים כמו שקיימים בליבות של כוכבי לכת או כוכבים.
| תרמודינמיקה |
| --- | --- | --- |
| חוקי יסוד | חוקי שימור (החומר, האנרגיה) • חוקי התרמודינמיקה: אפס, ראשון, שני (ראו גם: תנועה נצחית, השד של מקסוול), שלישי |  |
| קבועים | קבוע הגזים • קבוע בולצמן • קבוע אבוגדרו • קבוע פלאנק |  |
| משתנים | אינטנסיבים (טמפרטורה, לחץ, פוטנציאל כימי) • אקסטנסיבים (אנטרופיה, נפח, מספר חלקיקים) • משוואת מצב |  |
| יחידות מידה | טמפרטורה (צלזיוס, קלווין, יח' אחרות) • נפח (ליטר, מטר מעוקב) • לחץ (בר, אטמוספירה, פסקל) • מספר חלקיקים (מול) • אנרגיה (ג'אול, קלוריה) |  |
| אפיון | הפיכות • שינוי האנתלפיה (תהליך אקסותרמי, תהליך אנדותרמי) • שינוי באנרגיה (תהליך ספונטני, תהליך מאולץ) • תהליך (איזוברי, איזותרמי, איזוכורי, אדיאבטי, איזנטרופי, איזואנתלפי) |  |
| פוטנציאלים תרמודינמיים | אנרגיה פנימית • אנתלפיה • האנרגיה החופשית של הלמהולץ • האנרגיה החופשית של גיבס |  |
| מצבי צבירה ומעברי פאזות | מצבי צבירה (מוצק, נוזל, גז) • מעברי פאזות (התכה, התאדות, המראה, התעבות, הקפאה) • נקודת התכה • נקודת רתיחה • נקודה משולשת • נקודה קריטית • דיאגרמת פאזות • משוואת קלאוזיוס-קלפרון • חוק הפאזות של גיבס |  |
| גזים | גז אידיאלי • גז ואן דר ואלס • התאוריה הקינטית של הגזים • לחץ חלקי • חוק ראול • מודל דלטון • חוק בויל-מריוט • חוק גה-ליסאק • חוק שארל• משוואת הגז האידיאלי |  |
| חום וטמפרטורה | האפס המוחלט • יח' מידה לטמפרטורה • שיווי משקל תרמודינמי • קיבול חום • יחס קיבולי החום • חום כמוס • חוק הס • קלורימטר • אפקט ג'ול-תומסון • הסעת חום • מוליכות חום • מעבר חום • קרינה תרמית • קשר מאייר • האינדקס האדיאבטי |  |
| מעגלי עבודה | מעגלים תרמודינמיים (קרנו, סטרלינג, ברייטון, אריקסון, רנקין, סטירלינג, דיזל, לנואר, אוטו, היגרוסקופי, סקודירי, סטודרד) • נצילות |  |
| יישומים | מכונות חום • מנועים • משאבות • משאבת חום • מחליף חום • מיזוג אוויר • מקרר • קירור תרמואלקטרי • תחנות כוח |  |
| מונחים נוספים | תאוריית הקלוריק • תנועה בראונית • פונקציית מצב • תרמודינמיקה סטטיסטית • קשרי מקסוול • תרמוכימיה |  |
| דמויות בולטות | דניאל ברנולי (1700–1782) • בנג'מין תומפסון (1753–1814) • סאדי קרנו (1796–1832) • אמיל קלפרון (1799–1874) • רוברט מאייר (1814–1878) • ג'יימס ג'ול (1818–1889) • ויליאם ג'ון מקורן רנקין (1820–1872) • הרמן פון הלמהולץ (1821–1894) • רודולף קלאוזיוס (1822–1888) • ויליאם תומסון (1824–1907) • ג'יימס קלרק מקסוול (1831–1879) • יוהנס דידריק ואן דר ואלס (1837–1923) • ג'וסיה וילארד גיבס (1839–1903) • לודוויג בולצמן (1844–1906) • מקס פלאנק (1858–1947) • פייר דוהם (1861–1916) • קונסטנטין קרתיאודורי (1873–1950) • לארס אונסגר (1903–1976) |  |