Van der Waals è il nome di un fisico olandese, J.D. van der Waals (1837–1923). L'equazione di stato di van der Waals è in realtà un'equazione di stato per i gas, simile all'equazione di stato dei gas ideali . La differenza sta nel fatto che l'equazione dei gas ideali non può fornire risultati accurati se la pressione e la densità del gas reale sono sufficientemente elevate. L'equazione di stato di van der Waals, invece, può fornire risultati più precisi.
Questa equazione è stata originariamente sviluppata da Van der Waals, il quale riconobbe i limiti dell'equazione di stato dei gas ideali. Waals modificò l'equazione di stato dei gas ideali aggiungendo diversi fattori che influenzano lo stato di un gas reale quando la pressione e la densità del gas reale sono sufficientemente elevate.
All'aumentare della pressione del gas, aumentano anche la temperatura e la densità del gas, mentre il volume del gas diminuisce.
La pressione del gas è inversamente proporzionale al volume. Se la pressione del gas aumenta, il volume diminuisce. Viceversa, se il volume del gas diminuisce, la pressione del gas aumenta. Quando il volume del gas diminuisce, la densità del gas aumenta (densità = massa / volume). Si può affermare che la pressione è direttamente proporzionale alla densità. Se la pressione del gas è alta, anche la densità del gas è alta. Viceversa, se la pressione del gas è bassa, anche la densità del gas è bassa. La pressione del gas è anche direttamente proporzionale alla temperatura. Se la pressione del gas aumenta, la temperatura del gas aumenta. Possiamo concludere che se la pressione del gas aumenta, la temperatura e la densità del gas aumentano, mentre il volume del gas diminuisce.
Quando il volume di un gas diminuisce, la distanza tra le molecole si riduce. Man mano che la distanza tra le molecole diminuisce, queste si attraggono a vicenda. È simile a ciò che accade quando si avvicina un pezzo di ferro a una calamita. Se la distanza tra la calamita e il ferro è sufficientemente grande, la calamita non riesce ad attrarre il ferro. Ma se la distanza tra la calamita e il ferro è ridotta, il ferro viene immediatamente attratto. Quando le molecole stanno per collidere, gli elettroni sulla superficie esterna delle molecole si respingono (repulsione elettrica). Di conseguenza, le molecole non riescono ad aderire l'una all'altra. Da questa breve spiegazione, si può affermare che la forza di attrazione tra le molecole influenza anche le condizioni del gas.
Quando la pressione del gas è sufficientemente elevata e il volume del gas è piccolo, la distanza tra le molecole si riduce. In questo caso, le molecole occupano quasi l'intero volume del gas. Poiché anche le molecole hanno una dimensione (diametro atomico = 10⁻¹⁰ m ), dobbiamo tenere conto anche del volume di queste molecole.
Equazione di stato
Van der Waals derivò un'equazione di stato, tenendo conto del volume delle molecole e delle interazioni che avvengono tra di esse. L'equazione derivata da Van der Waals è una modifica dell'equazione di stato dei gas ideali PV = nRT.
Informazione :
P = Pressione del gas (N/m² = Pa)
V = Volume del gas ( m³ )
R = Costante universale dei gas (R = 8,315 J/mol·K = 8315 kJ/kmol·K)
T = Temperatura (K)
a = Costante empirica (il suo valore dipende dalla forza di attrazione tra le molecole del gas)
b = costante empirica (rappresenta il volume di una mole di molecole di gas)
n = Numero di moli (mol)
bn = Volume totale delle molecole di gas
Le costanti a e b vengono ottenute sperimentalmente. I valori delle costanti a e b dipendono dal tipo di gas.
n² /V² = il rapporto tra il quadrato del numero di moli (n) e il quadrato del volume del gas (V). Il valore di n² / V² dipende dalla pressione e dalla densità del gas. Se la pressione del gas (P) è elevata, il volume del gas (V) è basso. Minore è V, maggiore è n² / V² . Quando il volume del gas è basso (n² / V² è elevato), la distanza tra le molecole si riduce. Minore è la distanza tra le molecole, maggiore è la possibilità di interazione tra di esse (collisione, attrazione reciproca). Pertanto, n² / V² è direttamente proporzionale alla costante a (confronta con l'equazione di van der Waals, lato sinistro). Maggiore è il valore di n² / V² , maggiore è la forza di attrazione tra le molecole (a). Viceversa, se la pressione del gas (P) è bassa, il volume del gas (V) aumenta. Maggiore è V, minore è n² / V² . Quanto più piccolo è n 2 / V 2 , tanto minore è anche la forza attrattiva tra le molecole.
(V – bn) = La differenza tra il volume del gas e il volume totale delle molecole di gas. La costante b indica il volume di una mole di molecole di gas. n = numero di moli. Il prodotto di b e n (bn) = il volume totale delle molecole di gas. Se la pressione del gas (P) è maggiore, il volume del gas (V) è minore.
Più piccolo è V, più piccolo è (V – bn). Ciò significa che la distanza tra le molecole è minore e, di conseguenza, la forza di attrazione tra le molecole è maggiore. Viceversa, se la pressione del gas è inferiore, il volume del gas è maggiore. Maggiore è il volume del gas, maggiore è (V – bn). Maggiore è (V – bn), minore è la forza di attrazione tra le molecole del gas.
Possiamo affermare che l'equazione di stato di van der Waals descrive lo stato di un gas reale con maggiore precisione rispetto all'equazione dei gas ideali. Quando la pressione e la densità del gas sono sufficientemente elevate, l'equazione di van der Waals fornisce risultati più accurati. Se la pressione del gas non è troppo elevata, allora (an² / V² ) e (V-bn) possono essere trascurati, cosicché l'equazione di stato di van der Waals si trasforma nell'equazione di stato dei gas ideali.
