¿Qué es una ecuación de estado?

En termodinámica, una ecuación de estado (EOS) es la expresión matemática que describe la interconexión entre variables de estado, generalmente propiedades observables y medibles macroscópicamente, para un estado particular. Ese estado puede ser sólido, líquido, gaseoso o plasma. Los teóricos pueden variar los observables o las propiedades utilizados en una ecuación de estado, pero generalmente describen completamente el estado. Por ejemplo, la ecuación de estado para "n" moles de un gas ideal se puede describir completamente usando la ecuación PV = nRT, donde P = presión, V = volumen, R = la constante de gas ideal y T = temperatura. Tenga en cuenta que un EOS tiene la intención de describir no más de un estado, ya sea que ese estado sea sólido, líquido o gaseoso.

Para que una ecuación de estado pueda aproximarse más al comportamiento real, los parámetros como los tres enumerados anteriormente se modifican por términos empíricos adicionales, experimentales e incluso computacionales. Entre estos términos están el volumen atómico, que resta del volumen total, y la fuerza intermolecular, que afecta la distancia entre las partículas. Incluso estos ajustes pueden no ser suficientes. Para conciliar una ecuación de estado con los datos medidos que se pretende explicar, pueden ser necesarios términos matemáticos viriales y métodos computacionales iterativos. Dichos términos oscurecen la interpretación intelectual, pero mejoran la aplicación práctica.

Una ecuación de estado aceptable puede ser difícil de obtener para los sistemas líquidos, porque experimentan un grado mucho mayor de interacción molecular que resulta de que las moléculas estén mucho más juntas que las de los gases. Los líquidos se clasifican en función de la magnitud de tales interacciones como no asociativas o como asociativas. La mayoría de las fuerzas de dispersión de Londres son bastante débiles y si son las únicas fuerzas intermoleculares presentes, el líquido, tal vez un aceite u otro hidrocarburo, no se asocia. Sin embargo, si la unión de las moléculas es más fuerte, como lo es para las moléculas unidas por hidrógeno, el líquido se está asociando. Cuanto más fuertes son las fuerzas, más complejo es el modelado matemático y la ecuación de estado correspondiente.

Para el desarrollo de una ecuación de estado aceptable, se puede considerar que los líquidos asociados se asemejan más a los sólidos que los líquidos no asociados. Algunos científicos usan un modelo que incorpora una red bidimensional, lo que sugiere que los líquidos asociados poseen al menos algunas características sólidas. Una red que es bidimensional en lugar de tridimensional indica que el componente de comportamiento sólido es limitado. Dado que algunas de las partículas no se consideran parte de la red, el nombre asignado a este modelo para fluidos, ya sea gas o líquido, es la teoría del "gas de red". La matemática de las ecuaciones de estado líquidas de gas reticular puede volverse contraintuitiva y compleja, como lo demuestran los sistemas de polímero en solvente.