Van der Waals è il nome del fisico olandese J.D. van der Waals (1837-1923). L'equazione di stato di Van der Waals è un'equazione di stato per un gas, simile all'equazione di stato di un gas ideale. La differenza sta nel fatto che l'equazione di stato di un gas ideale non può fornire risultati accurati se la pressione e la densità di un gas reale sono sufficientemente elevate, mentre l'equazione di stato di Van der Waals può produrre risultati più precisi.
L'esistenza di questa equazione ha origine da Van der Waals, che comprese i limiti dell'equazione di stato di un gas ideale. Waals modificò l'equazione di stato del gas ideale, aggiungendo diversi fattori che influenzano anche le condizioni del gas reale, quando la pressione e la densità del gas reale sono elevate.
La pressione del gas è inversamente proporzionale al volume. Se la pressione del gas aumenta, il volume del gas 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 elevata, anche la densità del gas è elevata. 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, aumentano la temperatura e la densità del gas, mentre il volume del gas diminuisce.
Quando il volume del gas diminuisce, la distanza tra le molecole si riduce. Quando la distanza tra le molecole si riduce, le molecole si attraggono a vicenda. È come quando un pezzo di ferro viene avvicinato 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 attratto. Quando le molecole stanno per collidere, gli elettroni sulla superficie esterna di ciascuna molecola si respingono (repulsione elettrica). Di conseguenza, le molecole non riescono ad aderire l'una all'altra. Da questa breve descrizione, si può affermare che la forza di attrazione tra le molecole influenza le condizioni del gas.
Quando la pressione del gas è sufficientemente elevata e il volume del gas diventa piccolo, la distanza tra le molecole si riduce. Poiché anche le molecole hanno una dimensione (diametro atomico = 10⁻¹⁰ m ), dobbiamo considerare anche il volume di queste molecole.
Van der Waals riduce un'equazione di stato, considerando il volume molecolare e le interazioni che si verificano tra le molecole. L'equazione derivata da Van der Waals è il risultato della modifica dell'equazione di stato del gas ideale PV = n R T. Equazione di stato di Van der Waals:
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 valore dipende dalla forza di attrazione tra le molecole del gas)
b = costante empirica (che 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 si ottengono sperimentalmente. I valori delle costanti a e b dipendono dal tipo di gas.
n2 /V2 = il rapporto quadratico del numero di moli (n) con 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 piccolo. Minore è V, maggiore è n2 /V2. Quando il volume del gas è piccolo (n2 /V2 è grande) la distanza tra le molecole è minore. Minore è la distanza tra le molecole, maggiori sono le interazioni tra queste molecole (collisioni, attrazione reciproca). Pertanto, n2 /V2 è direttamente proporzionale a una costante (confronta con l'equazione di van der Waals). Maggiore è il valore di n2 /V2, maggiore è l'attrazione tra le molecole (a).
Viceversa, se la pressione del gas (P) è piccola, allora il volume del gas (V) diventa grande. Più V è elevato, più n è piccolo.2 /V2. Più basso è il n2 /V2, minore è la forza attrattiva tra le molecole.
(V – bn) = Differenza tra il volume del gas e il volume totale delle molecole di gas. La costante b rappresenta il volume di una mole di molecole di gas. n = numero di moli. Il prodotto del tempo tra b e n (bn) = il volume totale delle molecole di gas. Se la pressione del gas (P) aumenta, il volume del gas (V) diminuisce.
Più piccolo è V, più piccolo è (V – bn). Ciò significa che la distanza tra le molecole aumenta e, naturalmente, aumenta anche l'attrazione tra le molecole. Viceversa, se la pressione del gas diminuisce, il volume del gas aumenta. Maggiore è il volume del gas, maggiore è (V – bn). Maggiore è (V – bn), minore è l'attrazione tra le molecole del gas.
Possiamo affermare che l'equazione di stato di van der Waals descrive lo stato del gas reale in modo più accurato rispetto all'equazione del gas ideale. Quando la pressione e la densità del gas sono sufficientemente elevate, l'equazione di van der Waals fornisce risultati più precisi. Se la pressione del gas non è troppo elevata, allora (an² / V² ) e (V-bn) possono essere trascurati, in modo che l'equazione di stato di van der Waals si trasformi in un'equazione di stato del gas ideale.
