Van der Waals es el nombre del físico neerlandés J. D. van der Waals (1837-1923). La ecuación de estado de Van der Waals describe el estado de un gas, de forma similar a la ecuación de estado de un gas ideal. La diferencia radica en que la ecuación de estado de un gas ideal no proporciona resultados precisos si la presión y la densidad del gas real son suficientemente elevadas. En cambio, la ecuación de estado de Van der Waals ofrece resultados más precisos.
La existencia de esta ecuación se remonta a Van der Waals, quien se percató de las limitaciones de la ecuación de un estado ideal. Waals modificó la ecuación de estado del gas ideal, añadiendo varios factores que también influyen en el estado del gas real cuando la presión y la densidad de este son elevadas.
La presión del gas es inversamente proporcional al volumen. Si la presión del gas aumenta, el volumen del gas disminuye. Por el contrario, si el volumen del gas disminuye, la presión del gas aumenta. Cuando el volumen del gas disminuye, la densidad del gas aumenta (densidad = masa / volumen). Se puede decir que la presión es directamente proporcional a la densidad. Si la presión del gas es alta, la densidad del gas también es alta. Por el contrario, si la presión del gas es baja, la densidad del gas también es baja. La presión del gas también es directamente proporcional a la temperatura. Si la presión del gas aumenta, la temperatura del gas aumenta. Podemos concluir que si la presión del gas aumenta, la temperatura y la densidad del gas aumentan, mientras que el volumen del gas disminuye.
Cuando el volumen del gas disminuye, la distancia entre las moléculas se reduce. Al reducirse esta distancia, las moléculas se atraen entre sí. Es como acercar un trozo de hierro a un imán. Si la distancia entre el imán y el hierro es grande, el imán no puede atraerlo. Pero si la distancia es pequeña, el hierro se acerca. Cuando las moléculas están a punto de colisionar, los electrones de la superficie de cada molécula se repelen (repulsión eléctrica). Como resultado, las moléculas no pueden unirse. De esta breve descripción, se puede decir que la fuerza de atracción entre las moléculas influye en las condiciones del gas.
Cuando la presión del gas es suficientemente alta y el volumen del gas disminuye, la distancia entre las moléculas se reduce. Dado que las moléculas también tienen un tamaño (diámetro atómico = 10⁻¹⁰ m ), también debemos considerar el volumen de estas moléculas.
Van der Waals reduce una ecuación de estado, considerando el volumen molecular y las interacciones que ocurren entre las moléculas. La ecuación derivada por Van der Waals es el resultado de la modificación de la ecuación de estado del gas ideal PV = n R T. Ecuación de estado de Van der Waals:
P = presión del gas (N / m 2 = Pa)
V = volumen de gas ( m³ )
R = constante universal de los gases (R = 8.315 J / mol. K = 8315 kJ / kmol. K)
T = temperatura (K)
a = constante empírica (su valor depende de la fuerza de atracción entre las moléculas del gas)
b = constante empírica (que representa el volumen de un mol de moléculas de gas)
n = Número de moles (mol)
bn = volumen total de moléculas de gas
Las constantes a y b se obtienen mediante experimentos. Los valores de las constantes a y b dependen del tipo de gas.
n2 / V2 = la razón cuadrática del número de moles (n) con el cuadrado del volumen de gas (V). El valor de n2 / V2 depende de la presión y la densidad del gas. Si la presión del gas (P) es grande, entonces el volumen del gas (V) es pequeño. Cuanto menor sea V, mayor será n2 / V2. Cuando el volumen de gas es pequeño (n2 / V2 es grande) la distancia entre las moléculas es menor. Cuanto menor sea la distancia entre las moléculas, mayores serán las interacciones entre estas moléculas (colisiones, atracción mutua). Por lo tanto, n2 / V2 es directamente proporcional a una constante (compárese con la ecuación de van der Waals). Cuanto mayor sea el valor de n2 / V2, cuanto mayor sea la atracción entre las moléculas (a).
Por el contrario, si la presión del gas (P) es pequeña, entonces el volumen de gas (V) se vuelve grande. Cuanto más prominente sea V, menor será n2 / V2. Cuanto menor sea el n2 / V2Cuanto menor sea la fuerza de atracción entre las moléculas.
(V – bn) = Diferencia entre el volumen del gas y el volumen total de las moléculas de gas. La constante b representa el volumen de un mol de moléculas de gas. n = número de moles. El producto del tiempo entre b y n (bn) = volumen total de las moléculas de gas. Si la presión del gas (P) aumenta, el volumen del gas (V) disminuye.
Cuanto menor sea V, menor será (V – bn). Esto significa que la distancia entre las moléculas aumenta y, por lo tanto, la atracción entre ellas también. Por el contrario, si la presión del gas disminuye, el volumen del gas aumenta. Cuanto mayor sea el volumen del gas, mayor será (V – bn). Cuanto mayor sea (V – bn), menor será la atracción entre las moléculas del gas.
Podemos afirmar que la ecuación del estado de van der Waals describe el estado del gas real con mayor precisión que la ecuación del gas ideal. Cuando la presión y la densidad del gas son suficientemente elevadas, la ecuación de van der Waals proporciona resultados más precisos. Si la presión del gas no es excesiva, se pueden ignorar (an² / V² ) y (V-bn), de modo que la ecuación del estado de van der Waals se transforma en la ecuación del estado del gas ideal.
