Van der Walls on hollandi füüsiku J. D. van der Waalsi (1837–1923) nimi. Van der Waalsi olekuvõrrand on tegelikult gaasi olekuvõrrand, mis sarnaneb ... ideaalse gaasi olekuvõrrandErinevus seisneb selles, et ideaalse gaasi võrrand ei saa anda täpseid tulemusi, kui reaalse gaasi rõhk ja tihedus on piisavalt suured. Samal ajal saab van der Waalsi olekuvõrrand anda täpsemaid tulemusi.
Selle võrrandi autor on Van der Waals, kes mõistis ideaalse gaasi olekuvõrrandi piiranguid. Waals modifitseeris ideaalse gaasi olekuvõrrandit, lisades mitu tegurit, mis mõjutavad reaalse gaasi olekut, kui reaalse gaasi rõhk ja tihedus on piisavalt kõrged.
Gaasi rõhu suurenedes suureneb ka gaasi temperatuur ja tihedus, samal ajal kui gaasi maht väheneb.
Gaasi rõhk on pöördvõrdeline mahuga. Kui gaasi rõhk suureneb, väheneb maht. Vastupidi, kui gaasi ruumala väheneb, suureneb gaasi rõhk. Kui gaasi ruumala väheneb, suureneb gaasi tihedus (tihedus = tihedus = mass / ruumala). Võib öelda, et rõhk on otseselt proportsionaalne tihedusega. Kui gaasi rõhk on kõrge, on ka gaasi tihedus kõrge. Vastupidi, kui gaasi rõhk on madal, on ka gaasi tihedus madal. Gaasi rõhk on samuti otseselt proportsionaalne temperatuuriga. Kui gaasi rõhk suureneb, tõuseb gaasi temperatuur. Võime järeldada, et kui gaasi rõhk suureneb, suurenevad gaasi temperatuur ja tihedus, samal ajal kui gaasi ruumala väheneb.
Kui gaasi ruumala väheneb, väheneb molekulide vaheline kaugus. Mida lähemale molekulide vaheline kaugus muutub, seda enam molekulid üksteist tõmbuvad. See on sarnane rauatüki magnetile lähedale viimisega. Kui magneti ja raua vaheline kaugus on piisavalt suur, ei saa magnet rauda ligi tõmmata. Aga kui magneti ja raua vaheline kaugus on väike, tõmbub raud kohe lähemale. Kui molekulid hakkavad kokku põrkama, tõukuvad molekulide välisküljel olevad elektronid üksteist (elektriline tõukumine). Selle tulemusena ei saa molekulid kokku kleepuda. Sellest lühikesest selgitusest võib öelda, et molekulide vaheline tõmbejõud mõjutab ka gaasi seisundit.
Kui gaasirõhk on piisavalt suur ja gaasi maht väheneb, siis molekulide vaheline kaugus väheneb. Sellisel juhul täidavad molekulid peaaegu kogu gaasi mahu. Kuna molekulidel on ka suurus (aatomi läbimõõt = 10-10 m), siis peame arvestama ka nende molekulide mahuga.
Olekuvõrrand
Van der Waals tuletas olekuvõrrandi, võttes arvesse molekulide mahtu ja molekulide vahelisi vastastikmõjusid. Van der Waalsi tuletatud võrrand on ideaalse gaasi olekuvõrrandi modifikatsioon PV = nRT.
Teave:
P = gaasirõhk (N/m2 = Pa)
V = Gaasi maht (m33)
R = universaalne gaasikonstant (R = 8,315 J/mol·K = 8315 kJ/kmol·K)
T = temperatuur (K)
a = empiiriline konstant (selle väärtus sõltub gaasimolekulide vahelisest tõmbejõust)
b = empiiriline konstant (tähistab ühe mooli gaasimolekulide mahtu)
n = moolide arv (mol)
bn = gaasimolekulide kogumaht
Konstandid a ja b saadakse katseliselt. Konstantide a ja b väärtused sõltuvad gaasi tüübist.
n2 /V2 = moolide arvu ruudu (n) ja gaasi ruumala ruudu (V) suhe. n väärtus2 /V2 sõltub gaasi rõhust ja tihedusest. Kui gaasirõhk (P) on suur, siis on gaasi ruumala (V) väike. Mida väiksem on V, seda suurem on n2 /V2 Kui gaasi maht on väike (n2 /V2 suur), siis molekulide vaheline kaugus väheneb. Mida väiksem on molekulide vaheline kaugus, seda suurem on molekulide omavahelise interaktsiooni (põrkumise, üksteise ligitõmbamise) võimalus. Seega n2 /V2 on otseselt proportsionaalne konstandiga a (võrdle van der Waalsi võrrandiga, vasak pool). Mida suurem on n väärtus2 /V2, seda suurem on molekulide vaheline atraktiivne jõud (a). Vastupidi, kui gaasirõhk (P) on väike, on gaasi ruumala (V) suur. Mida suurem on V, seda väiksem on n2 /V2 Väiksem n2 /V2 , väheneb ka molekulide vaheline atraktiivne jõud.
(V – bn) = Gaasi mahu ja gaasimolekulide kogumahu vahe. Konstant b näitab ühe mooli gaasimolekulide mahtu. n = moolide arv. b ja n korrutis (bn) = gaasimolekulide kogumaht. Kui gaasirõhk (P) on suurem, on gaasi maht (V) väiksem.
Mida väiksem on V, seda väiksem on (V – bn). See tähendab, et molekulide vaheline kaugus on väiksem ja loomulikult on molekulidevaheline tõmbejõud suurem. Vastupidi, mida madalam on gaasi rõhk, seda suurem on gaasi ruumala. Mida suurem on gaasi ruumala, seda suurem on (V – bn). Mida suurem on (V – bn), seda väiksem on gaasi molekulidevaheline tõmbejõud.
Võib öelda, et van der Waalsi olekuvõrrand kirjeldab reaalse gaasi olekut täpsemalt kui ideaalse gaasi võrrand. Kui gaasi rõhk ja tihedus on piisavalt suured, annab van der Waalsi võrrand täpsemaid tulemusi. Kui gaasi rõhk ei ole liiga suur, siis (an2 /V2) ja (V-bn) võib ignoreerida, seega Van der Waalsi olekuvõrrand muutub ideaalse gaasi olekuvõrrandiks.
