Το Van der Walls είναι το όνομα ενός Ολλανδού φυσικού, του JD van der Waals (1837-1923). Η Καταστατική Εξίσωση Van der Waals είναι μια καταστατική εξίσωση ενός αερίου, παρόμοια με την Καταστατική Εξίσωση ενός ιδανικού αερίου. Η διαφορά είναι ότι η καταστατική εξίσωση ενός ιδανικού αερίου δεν μπορεί να παράσχει ακριβή αποτελέσματα εάν η πίεση και η πυκνότητα του πραγματικού αερίου είναι αρκετά μεγάλες. Ενώ η Καταστατική Εξίσωση Van der Waals μπορεί να παράγει πιο ακριβή αποτελέσματα.
Η ύπαρξη αυτής της εξίσωσης προέρχεται από τον Van der Waals, ο οποίος συνειδητοποίησε τους περιορισμούς της εξίσωσης μιας ιδανικής κατάστασης. Ο Waals τροποποίησε την εξίσωση κατάστασης του ιδανικού αερίου, προσθέτοντας διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν επίσης την πραγματική κατάσταση του αερίου, όταν η πίεση και η πυκνότητα του πραγματικού αερίου είναι μεγάλες.
Η πίεση του αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογη του όγκου. Εάν η πίεση του αερίου αυξηθεί, ο όγκος του αερίου μειώνεται. Αντίθετα, εάν ο όγκος του αερίου μειωθεί, η πίεση του αερίου αυξάνεται. Όταν ο όγκος του αερίου μειώνεται, η πυκνότητα του αερίου αυξάνεται (πυκνότητα = μάζα / όγκος). Μπορεί να ειπωθεί ότι η πίεση είναι άμεσα ανάλογη της πυκνότητας. Εάν η πίεση του αερίου είναι μεγάλη, η πυκνότητα του αερίου είναι επίσης μεγάλη. Αντίστροφα, εάν η πίεση του αερίου είναι μικρή, η πυκνότητα του αερίου είναι επίσης μικρή. Η πίεση του αερίου είναι επίσης άμεσα ανάλογη της θερμοκρασίας. Εάν η πίεση του αερίου αυξηθεί, η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι εάν η πίεση του αερίου αυξηθεί, η θερμοκρασία και η πυκνότητα του αερίου, ενώ ο όγκος του αερίου μειώνεται.
Όταν ο όγκος του αερίου μειώνεται, η απόσταση μεταξύ των μορίων γίνεται μικρότερη. Όταν η απόσταση μεταξύ των μορίων γίνεται μικρότερη, τα μόρια έλκονται μεταξύ τους. Είναι σαν όταν ένα κομμάτι σιδήρου φέρεται κοντά σε έναν μαγνήτη. Εάν η απόσταση μεταξύ του μαγνήτη και του σιδήρου είναι αρκετά μεγάλη, ο μαγνήτης δεν μπορεί να τραβήξει τον σίδηρο. Αλλά εάν η απόσταση μεταξύ του μαγνήτη και του σιδήρου είναι μικρή, ο σίδηρος έλκεται πιο κοντά. Όταν τα μόρια πρόκειται να συγκρουστούν, τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του μορίου απωθούνται μεταξύ τους (ηλεκτρική άπωση). Ως αποτέλεσμα, τα μόρια δεν μπορούν να κολλήσουν μεταξύ τους. Από αυτή τη σύντομη περιγραφή, μπορεί να ειπωθεί ότι η δύναμη έλξης μεταξύ των μορίων επηρεάζει την κατάσταση του αερίου.
Όταν η πίεση του αερίου είναι αρκετά μεγάλη και ο όγκος του αερίου γίνει μικρός, η απόσταση μεταξύ των μορίων γίνεται μικρότερη. Επειδή τα μόρια έχουν επίσης μέγεθος (ατομική διάμετρος = 10-10 m ), τότε πρέπει να λάβουμε υπόψη και τον όγκο αυτών των μορίων.
Ο Van der Waals μειώνει μια καταστατική εξίσωση, λαμβάνοντας υπόψη τον μοριακό όγκο και τις αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ των μορίων. Η εξίσωση που προκύπτει από τον Van der Waals είναι το αποτέλεσμα της τροποποίησης της εξίσωσης ιδανικής κατάστασης αερίου PV = n R T. Καταστατική εξίσωση Van der Waals:
P = πίεση αερίου (N / m 2 = Pa)
V = όγκος αερίου ( m3 )
R = παγκόσμια σταθερά αερίων (R = 8.315 J / mol. K = 8315 kJ / kmol. K)
T = θερμοκρασία (K)
a = εμπειρική σταθερά (η τιμή εξαρτάται από τη δύναμη έλξης μεταξύ των μορίων του αερίου)
b = εμπειρική σταθερά (που αντιπροσωπεύει τον όγκο ενός γραμμομορίου μορίων αερίου)
n = Αριθμός γραμμομορίων (mol)
bn = συνολικός όγκος μορίων αερίου
Οι σταθερές a και b λαμβάνονται μέσω πειραμάτων. Οι σταθερές τιμές a και b εξαρτώνται από τον τύπο του αερίου.
n2 / V.2 = η τετραγωνική αναλογία του αριθμού των γραμμομορίων (n) προς το τετράγωνο του όγκου του αερίου (V). Η τιμή του n2 / V.2 εξαρτάται από την πίεση και την πυκνότητα του αερίου. Εάν η πίεση του αερίου (P) είναι μεγάλη, τότε ο όγκος του αερίου (V) είναι μικρός. Όσο μικρότερο είναι το V, τόσο μεγαλύτερο είναι το n2 / V.2Όταν ο όγκος του αερίου είναι μικρός (n2 / V.2 είναι μεγάλη) τόσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων. Όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων, τόσο μεγαλύτερες είναι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των μορίων (σύγκρουση, έλξη μεταξύ τους). Επομένως, n2 / V.2 είναι ευθέως ανάλογη με μια σταθερά (συγκρίνετε με την εξίσωση van der Waals). Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του n2 / V.2, τόσο μεγαλύτερη είναι η έλξη μεταξύ των μορίων (α).
Αντίθετα, εάν η πίεση του αερίου (P) είναι μικρή, τότε ο όγκος του αερίου (V) γίνεται μεγάλος. Όσο πιο έντονο το V, τόσο μικρότερο το n2 / V.2Όσο χαμηλότερο είναι το n2 / V.2, τόσο χαμηλότερη είναι η ελκτική δύναμη μεταξύ των μορίων.
(V – bn) = Διαφορά μεταξύ του όγκου του αερίου και του συνολικού όγκου των μορίων του αερίου. Η σταθερά b αντιπροσωπεύει τον όγκο ενός γραμμομορίου μορίων αερίου. n = αριθμός γραμμομορίων. Το γινόμενο του χρόνου μεταξύ b και n (bn) = ο συνολικός όγκος των μορίων του αερίου. Εάν η πίεση του αερίου (P) γίνει πιο σημαντική, τότε ο όγκος του αερίου (V) μειώνεται.
Όσο μικρότερο είναι το V, τόσο μικρότερο είναι (V – bn). Αυτό σημαίνει ότι η απόσταση μεταξύ των μορίων αυξάνεται και, φυσικά, η έλξη μεταξύ των μορίων αυξάνεται. Αντίθετα, εάν η πίεση του αερίου μειωθεί, ο όγκος του αερίου μεγαλώνει. Όσο σημαντικός είναι ο όγκος του αερίου, τόσο μεγαλύτερος είναι (V – bn). Όσο μεγαλύτερο (V – bn), τόσο μικρότερη είναι η έλξη μεταξύ των μορίων του αερίου.
Μπορούμε να πούμε ότι η εξίσωση της κατάστασης van der Waals περιγράφει την πραγματική κατάσταση του αερίου με μεγαλύτερη ακρίβεια από την εξίσωση του ιδανικού αερίου. Όταν η πίεση και η πυκνότητα του αερίου είναι αρκετά μεγάλες, η εξίσωση van der Waals δίνει πιο ακριβή αποτελέσματα. Εάν η πίεση του αερίου δεν είναι πολύ μεγάλη, τότε τα (an 2 / V 2 ) και (V-bn) μπορούν να αγνοηθούν, έτσι ώστε η εξίσωση κατάστασης Van der Waals να αλλάζει σε μια εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου.
