Van der Waals er nafn hollensks eðlisfræðings, J.D. van der Waals (1837–1923). Ástandsjafna van der Waals er í raun gasjafna fyrir ástand, svipuð og kjörgasjöfnu . Munurinn er sá að kjörgasjafnan getur ekki gefið nákvæmar niðurstöður ef þrýstingur og eðlisþyngd raunverulegs gass eru nógu mikil. Ástandsjafna van der Waals getur hins vegar gefið nákvæmari niðurstöður.
Þessi jafna á rætur að rekja til Van der Waals, sem gerði sér grein fyrir takmörkunum á ástandsjöfnu kjörgassins. Waals breytti ástandsjöfnunni með því að bæta við nokkrum þáttum sem hafa áhrif á ástand raunverulegs gass þegar þrýstingur og eðlisþyngd þess eru nægilega há.
Þegar þrýstingur gassins eykst, eykst einnig hitastig og eðlisþyngd gassins, en rúmmál gassins minnkar.
Gasþrýstingur er í öfugu hlutfalli við rúmmál. Ef gasþrýstingur eykst, þá minnkar rúmmálið. Öfugt, ef gasrúmmál minnkar, þá eykst gasþrýstingur. Þegar gasrúmmál minnkar, þá eykst gasþéttleiki (þéttleiki = þéttleiki = massi / rúmmál). Má segja að þrýstingur sé í beinu hlutfalli við þéttleika. Ef gasþrýstingur er hár, þá er gasþéttleikinn einnig hár. Öfugt, ef gasþrýstingur er lágur, þá er gasþéttleikinn einnig lágur. Gasþrýstingur er einnig í beinu hlutfalli við hitastig. Ef gasþrýstingur eykst, þá eykst gashitastig. Við getum ályktað að ef gasþrýstingur eykst, þá aukast gashitastig og þéttleiki, en gasrúmmál minnkar.
Þegar rúmmál gass minnkar, eykst fjarlægðin milli sameindanna. Þegar fjarlægðin milli sameindanna eykst, draga sameindirnar hvor að annarri. Þetta er svipað og þegar járnbútur er færður nálægt segli. Ef fjarlægðin milli segulsins og járnsins er nógu mikil, getur segullinn ekki dregið að sér járnið. En ef fjarlægðin milli segulsins og járnsins er lítil, togast járnið strax nær. Þegar sameindirnar eru að fara að rekast á, hrinda rafeindirnar á ytra byrði sameindanna hvor annarri frá sér (rafmagnsfráhrinding). Fyrir vikið geta sameindirnar ekki festst saman. Af þessari stuttu útskýringu má segja að aðdráttarkrafturinn milli sameinda hafi einnig áhrif á ástand gassins.
Þegar gasþrýstingurinn er nógu hár og rúmmál gassins lítið, verður fjarlægðin milli sameindanna minni. Í þessu tilfelli fylla sameindirnar næstum allt rúmmál gassins. Þar sem sameindir hafa einnig stærð (atómþvermál = 10⁻⁹ -10⁻¹ ) þurfum við einnig að taka tillit til rúmmáls þessara sameinda.
Jafna ástands
Van der Waals leiddi út ástandsjöfnu með tilliti til rúmmáls sameinda og víxlverkunar sem á sér stað milli sameinda. Jafnan sem Van der Waals leiddi út er breyting á kjörgasjöfnunni með ástandið PV = nRT.
Upplýsingar:
P = Gasþrýstingur (N/m² = Pa)
V = Gasrúmmál ( m³ )
R = Alhliða gasstuðull (R = 8,315 J/mól.K = 8315 kJ/kmól.K)
T = Hitastig (K)
a = Raunvísindalegur fasti (gildi hans fer eftir aðdráttarafli milli gassameinda)
b = raunvísisfasti (táknar rúmmál eins móls af gassameindum)
n = Fjöldi móla (mól)
bn = Heildarrúmmál gassameinda
Stöðlurnar a og b eru fengnar með tilraunum. Gildi fastanna a og b eru háð gerð gassins.
n² / V² = hlutfallið milli veldis fjölda móla (n) og veldis gasrúmmálsins (V). Gildi n² / V² fer eftir þrýstingi og eðlisþyngd gassins. Ef gasþrýstingurinn (P) er mikill, þá er gasrúmmálið (V) lítið. Því minni sem V er, því stærra er n² / V². Þegar gasrúmmálið er lítið (n² / V² er stórt) minnkar fjarlægðin milli sameindanna. Því minni sem fjarlægðin er milli sameindanna, því meiri eru líkurnar á víxlverkun milli sameindanna (árekstur, aðdráttarafl hver við aðra). Þess vegna er n² / V² í réttu hlutfalli við fastann a ( berið saman við van der Waals jöfnuna, vinstra megin). Því stærra sem gildi n² / V² er , því meiri er aðdráttarkrafturinn milli sameindanna (a). Aftur á móti, ef gasþrýstingurinn (P) er lítill, þá verður gasrúmmálið (V) stærra. Því stærra sem V er, því minna er n² / V² . Því minni sem n² / V² er , því minni er aðdráttarkrafturinn milli sameindanna einnig.
(V – bn) = Mismunurinn á gasrúmmáli og heildarrúmmáli gassameinda. Fastinn b segir til um rúmmál eins móls af gassameindum. n = fjöldi móla. Margfeldi b og n (bn) = heildarrúmmál gassameinda. Ef gasþrýstingurinn (P) er meiri, þá er gasrúmmálið (V) minna.
Því minna sem V er, því minna er (V – bn). Þetta þýðir að fjarlægðin milli sameindanna er minni og að sjálfsögðu er aðdráttarkrafturinn milli sameindanna meiri. Aftur á móti, ef gasþrýstingurinn er lægri, þá er gasrúmmálið stærra. Því stærra sem gasrúmmálið er, því stærra er (V – bn). Því stærra (V – bn), því minni er aðdráttarkrafturinn milli gassameindanna.
Við getum sagt að ástandsjafna van der Waals lýsi ástandi raunverulegs gass nákvæmar en jafna fyrir kjörgas. Þegar þrýstingur og eðlisþyngd gassins eru nógu stór gefur jafna van der Waals nákvæmari niðurstöður. Ef þrýstingurinn er ekki of stór, þá er hægt að hunsa (an² / V² ) og (V-bn), þannig að ástandsjafna van der Waals breytist í kjörgasjöfnu.
