वैन डेर वाल्स डच भौतिक विज्ञानी जे.डी. वैन डेर वाल्स (1837-1923) का नाम है। वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण वास्तव में गैस का एक अवस्था समीकरण है, जो आदर्श गैस अवस्था समीकरण के समान है। अंतर यह है कि आदर्श गैस समीकरण वास्तविक गैस के दबाव और घनत्व के अधिक होने पर सटीक परिणाम नहीं दे सकता। हालांकि, वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण अधिक सटीक परिणाम दे सकता है।
इस समीकरण की उत्पत्ति वैन डेर वाल्स से हुई, जिन्होंने आदर्श गैस अवस्था समीकरण की सीमाओं को पहचाना। वाल्स ने आदर्श गैस अवस्था समीकरण को संशोधित करते हुए कई ऐसे कारक जोड़े जो वास्तविक गैस की अवस्था को प्रभावित करते हैं जब वास्तविक गैस का दबाव और घनत्व पर्याप्त रूप से उच्च होता है।
जैसे-जैसे गैस का दाब बढ़ता है, वैसे-वैसे गैस का तापमान और घनत्व भी बढ़ता है, जबकि गैस का आयतन घटता है।
गैस का दाब आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है। दाब बढ़ने पर आयतन घटता है। इसके विपरीत, आयतन घटने पर दाब बढ़ता है। आयतन घटने पर घनत्व बढ़ता है (घनत्व = घनत्व = द्रव्यमान / आयतन)। यह कहा जा सकता है कि दाब घनत्व के समानुपाती होता है। दाब अधिक होने पर घनत्व भी अधिक होता है। इसके विपरीत, दाब कम होने पर घनत्व भी कम होता है। दाब तापमान के भी समानुपाती होता है। दाब बढ़ने पर तापमान भी बढ़ता है। इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि दाब बढ़ने पर तापमान और घनत्व दोनों बढ़ते हैं, जबकि आयतन घटता है।
जब किसी गैस का आयतन घटता है, तो अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है। जैसे-जैसे अणुओं के बीच की दूरी कम होती है, वे एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। यह उसी तरह है जैसे लोहे के एक टुकड़े को चुंबक के पास लाया जाए। यदि चुंबक और लोहे के बीच की दूरी काफी अधिक हो, तो चुंबक लोहे को आकर्षित नहीं कर सकता। लेकिन यदि दूरी कम हो, तो लोहा तुरंत चुंबक की ओर खिंचा चला जाता है। जब अणु आपस में टकराने वाले होते हैं, तो अणुओं के बाहरी भाग पर मौजूद इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं (विद्युत प्रतिकर्षण)। परिणामस्वरूप, अणु आपस में चिपक नहीं पाते। इस संक्षिप्त व्याख्या से यह कहा जा सकता है कि अणुओं के बीच का आकर्षण बल गैस की स्थिति को भी प्रभावित करता है।
जब गैस का दाब पर्याप्त रूप से अधिक होता है और गैस का आयतन कम होता है, तो अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है। इस स्थिति में, अणु गैस के लगभग पूरे आयतन को भर देते हैं। चूंकि अणुओं का भी आकार होता है (परमाणु व्यास = 10⁻¹⁰ मीटर ), इसलिए हमें इन अणुओं के आयतन को भी ध्यान में रखना होगा।
स्थिति के समीकरण
वैन डेर वाल्स ने अणुओं के आयतन और उनके बीच होने वाली अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए अवस्था समीकरण व्युत्पन्न किया। वैन डेर वाल्स द्वारा व्युत्पन्न समीकरण आदर्श गैस अवस्था समीकरण PV = nRT का संशोधित रूप है।
टिप्पणी:
P = गैस का दाब (N/m² = Pa)
V = गैस का आयतन ( m³ )
R = सार्वभौमिक गैस स्थिरांक (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = तापमान (केली)
a = आनुभविक स्थिरांक (इसका मान गैस अणुओं के बीच आकर्षण बल पर निर्भर करता है)
b = आनुभविक स्थिरांक (यह गैस अणुओं के एक मोल के आयतन को दर्शाता है)
n = मोलों की संख्या (mol)
bn = गैस अणुओं का कुल आयतन
स्थिरांक a और b प्रायोगिक रूप से प्राप्त किए जाते हैं। स्थिरांक a और b के मान गैस के प्रकार पर निर्भर करते हैं।
n² /V² = अणुओं की संख्या (n) के वर्ग और गैस के आयतन (V) के वर्ग का अनुपात। n²/V² का मान गैस के दाब और घनत्व पर निर्भर करता है। यदि गैस का दाब (P) अधिक है, तो गैस का आयतन (V) कम होता है। V जितना कम होगा, n²/V² उतना ही अधिक होगा । जब गैस का आयतन कम होता है (n² / V² अधिक होता है), तो अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है। अणुओं के बीच की दूरी जितनी कम होगी, उनके बीच परस्पर क्रिया (टकराव, एक दूसरे के प्रति आकर्षण) की संभावना उतनी ही अधिक होगी। इसलिए n²/V² स्थिरांक a के सीधे समानुपाती होता है (वैन डेर वाल्स समीकरण के बाएँ पक्ष से तुलना करें)। n²/V² का मान जितना अधिक होगा, अणुओं के बीच आकर्षण बल ( a ) उतना ही अधिक होगा। इसके विपरीत, यदि गैस का दाब (P) कम है, तो गैस का आयतन (V) अधिक हो जाता है। V जितना अधिक होगा, n²/V² उतना ही कम होगा । n 2 / V 2 जितना छोटा होगा , अणुओं के बीच आकर्षण बल भी उतना ही कम होगा।
(V – bn) = गैस के आयतन और गैस अणुओं के कुल आयतन का अंतर। स्थिरांक b गैस अणुओं के एक मोल का आयतन दर्शाता है। n = मोलों की संख्या। b और n का गुणनफल (bn) = गैस अणुओं का कुल आयतन। यदि गैस का दाब (P) अधिक है, तो गैस का आयतन (V) कम होगा।
V जितना छोटा होगा, (V – bn) उतना ही छोटा होगा। इसका अर्थ है कि अणुओं के बीच की दूरी कम होगी और स्वाभाविक रूप से अणुओं के बीच आकर्षण बल अधिक होगा। इसके विपरीत, यदि गैस का दाब कम है, तो गैस का आयतन अधिक होगा। गैस का आयतन जितना बड़ा होगा, (V – bn) उतना ही बड़ा होगा। (V – bn) जितना बड़ा होगा, गैस के अणुओं के बीच आकर्षण बल उतना ही कम होगा।
हम कह सकते हैं कि वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण, आदर्श गैस समीकरण की तुलना में वास्तविक गैस की अवस्था का अधिक सटीक वर्णन करता है। जब गैस का दाब और घनत्व पर्याप्त रूप से अधिक होता है, तो वैन डेर वाल्स समीकरण अधिक सटीक परिणाम देता है। यदि गैस का दाब बहुत अधिक नहीं है, तो (an² / V² ) और (V-bn) को नगण्य माना जा सकता है, जिससे वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण आदर्श गैस अवस्था समीकरण में परिवर्तित हो जाता है।
