Van der Waals és el nom d'un físic neerlandès, J.D. van der Waals (1837–1923). L'equació d'estat de van der Waals és en realitat una equació d'estat de gas, similar a l'equació d'estat del gas ideal . La diferència és que l'equació del gas ideal no pot proporcionar resultats precisos si la pressió i la densitat del gas real són prou grans. L'equació d'estat de van der Waals, però, pot proporcionar resultats més precisos.
Aquesta equació es va originar amb Van der Waals, qui va reconèixer les limitacions de l'equació d'estat del gas ideal. Waals va modificar l'equació d'estat del gas ideal afegint diversos factors que influeixen en l'estat d'un gas real quan la pressió i la densitat del gas real són prou altes.
A mesura que augmenta la pressió del gas, també ho fan la temperatura i la densitat del gas, mentre que el volum del gas disminueix.
La pressió del gas és inversament proporcional al volum. Si la pressió del gas augmenta, el volum disminueix. Per contra, si el volum del gas disminueix, la pressió del gas augmenta. Quan el volum del gas disminueix, la densitat del gas augmenta (densitat = densitat = massa / volum). Es pot dir que la pressió és directament proporcional a la densitat. Si la pressió del gas és alta, la densitat del gas també és alta. Per contra, si la pressió del gas és baixa, la densitat del gas també és baixa. La pressió del gas també és directament proporcional a la temperatura. Si la pressió del gas augmenta, la temperatura del gas augmenta. Podem concloure que si la pressió del gas augmenta, la temperatura i la densitat del gas augmenten, mentre que el volum del gas disminueix.
Quan el volum d'un gas disminueix, la distància entre les molècules s'acosta. A mesura que la distància entre les molècules s'acosta, les molècules s'atrauen mútuament. És similar a quan un tros de ferro s'acosta a un imant. Si la distància entre l'imant i el ferro és prou gran, l'imant no pot atraure el ferro. Però si la distància entre l'imant i el ferro és curta, el ferro s'acosta immediatament. Quan les molècules estan a punt de xocar, els electrons de la part exterior de les molècules es repel·leixen (repulsió elèctrica). Com a resultat, les molècules no es poden enganxar. A partir d'aquesta breu explicació, es pot dir que la força atractiva entre les molècules també afecta l'estat del gas.
Quan la pressió del gas és prou alta i el volum del gas és petit, la distància entre les molècules es redueix. En aquest cas, les molècules omplen gairebé tot el volum del gas. Com que les molècules també tenen mida (diàmetre atòmic = 10-10 m ), també cal tenir en compte el volum d'aquestes molècules.
Equació d'estat
Van der Waals va derivar una equació d'estat, tenint en compte el volum de molècules i les interaccions que es produeixen entre les molècules. L'equació derivada per Van der Waals és una modificació de l'equació d'estat del gas ideal PV = nRT.
Informació:
P = Pressió del gas (N/m² = Pa)
V = Volum de gas ( m³ )
R = Constant universal dels gasos (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = Temperatura (K)
a = Constant empírica (el seu valor depèn de la força atractiva entre les molècules de gas)
b = constant empírica (representa el volum d'un mol de molècules de gas)
n = Nombre de mols (mol)
bn = Volum total de molècules de gas
Les constants a i b s'obtenen experimentalment. Els valors de les constants a i b depenen del tipus de gas.
n² / V² = la relació entre el quadrat del nombre de mols (n) i el quadrat del volum de gas (V). El valor de n² / V² depèn de la pressió i la densitat del gas. Si la pressió del gas (P) és gran, el volum de gas (V) és petit. Com més petit sigui V, més gran serà n² / V² . Quan el volum de gas és petit (n² / V² és gran), la distància entre les molècules es fa més curta. Com més petita sigui la distància entre les molècules, més gran serà la possibilitat d'interacció entre les molècules (col·lisió, atracció entre si). Per tant, n² / V² és directament proporcional a la constant a (compareu amb l'equació de van der Waals, costat esquerre). Com més gran sigui el valor de n² / V² , més gran serà la força atractiva entre les molècules (a). Per contra, si la pressió del gas (P) és petita, el volum de gas (V) es fa més gran. Com més gran sigui V, més petit serà n² / V² . Com més petit sigui n2 / V2 , la força atractiva entre les molècules també és més petita.
(V – bn) = La diferència entre el volum de gas i el volum total de molècules de gas. La constant b indica el volum d'un mol de molècules de gas. n = nombre de mols. El producte de b i n (bn) = el volum total de molècules de gas. Si la pressió del gas (P) és més gran, el volum de gas (V) és més petit.
Com més petit sigui V, més petit (V – bn). Això significa que la distància entre les molècules és més propera i, per descomptat, la força atractiva entre les molècules és més gran. Per contra, si la pressió del gas és més baixa, el volum del gas és més gran. Com més gran sigui el volum del gas, més gran (V – bn). Com més gran (V – bn), més petita serà la força atractiva entre les molècules del gas.
Podem dir que l'equació d'estat de van der Waals descriu l'estat d'un gas real amb més precisió que l'equació del gas ideal. Quan la pressió i la densitat del gas són prou grans, l'equació de van der Waals dóna resultats més precisos. Si la pressió del gas no és massa gran, aleshores (an² / V² ) i (V-bn) es poden negligir, de manera que l'equació d'estat de van der Waals es converteix en l'equació d'estat del gas ideal.
