Van der Waals é o nome de um físico holandês, J.D. van der Waals (1837-1923). A equação de estado de Van der Waals é uma equação de estado para gases, similar à equação de estado de um gás ideal. A diferença reside no fato de que a equação de estado de um gás ideal não fornece resultados precisos se a pressão e a densidade do gás real forem suficientemente altas. Já a equação de estado de Van der Waals pode produzir resultados mais precisos.
A existência dessa equação tem origem em Van der Waals, que percebeu as limitações da equação de estado de um gás ideal. Waals modificou a equação de estado do gás ideal, adicionando diversos fatores que também influenciam a condição do gás real, quando a pressão e a densidade do gás real são elevadas.
A pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume. Se a pressão aumenta, o volume diminui. Inversamente, se o volume diminui, a pressão aumenta. Quando o volume diminui, a densidade aumenta (densidade = massa / volume). Pode-se dizer que a pressão é diretamente proporcional à densidade. Se a pressão for alta, a densidade também será alta. Inversamente, se a pressão for baixa, a densidade também será baixa. A pressão também é diretamente proporcional à temperatura. Se a pressão aumenta, a temperatura aumenta. Podemos concluir que, com o aumento da pressão, a temperatura e a densidade do gás aumentam, enquanto o volume diminui.
Quando o volume do gás diminui, a distância entre as moléculas se aproxima. Com a diminuição da distância entre as moléculas, elas se atraem. É como quando um pedaço de ferro é aproximado de um ímã. Se a distância entre o ímã e o ferro for grande o suficiente, o ímã não conseguirá atrair o ferro. Mas se a distância entre o ímã e o ferro for pequena, o ferro será atraído. Quando as moléculas estão prestes a colidir, os elétrons na superfície da molécula se repelem (repulsão elétrica). Como resultado, as moléculas não conseguem se manter unidas. A partir dessa breve descrição, podemos afirmar que a força de atração entre as moléculas influencia as condições do gás.
Quando a pressão do gás é suficientemente alta e o volume do gás diminui, a distância entre as moléculas se reduz. Como as moléculas também têm um tamanho (diâmetro atômico = 10⁻¹⁰ m ), precisamos considerar também o volume dessas moléculas.
A equação de Van der Waals reduz a equação de estado, considerando o volume molecular e as interações que ocorrem entre as moléculas. A equação derivada por Van der Waals resulta da modificação da equação de estado dos gases ideais PV = nRT. Equação de estado de Van der Waals:
P = pressão do gás (N / m 2 = Pa)
V = volume de gás ( m³ )
R = constante universal dos gases (R = 8.315 J / mol. K = 8315 kJ / kmol. K)
T = temperatura (K)
a = constante empírica (o valor depende da força de atração entre as moléculas do gás)
b = constante empírica (que representa o volume de um mol de moléculas de gás)
n = Número de moles (mol)
bn = volume total de moléculas de gás
As constantes a e b são obtidas experimentalmente. Os valores das constantes a e b dependem do tipo de gás.
n2 /V2 = a razão quadrática entre o número de moles (n) e o quadrado do volume do gás (V). O valor de n2 /V2 Depende da pressão e da densidade do gás. Se a pressão do gás (P) for alta, o volume do gás (V) será pequeno. Quanto menor o V, maior será o n.2 /V2Quando o volume de gás é pequeno (n2 /V2 (se n for grande) a distância entre as moléculas é menor. Quanto menor a distância entre as moléculas, maiores as interações entre elas (colisões, atrações). Portanto, n2 /V2 é diretamente proporcional a uma constante (compare com a equação de van der Waals). Quanto maior o valor de n2 /V2, quanto maior a atração entre as moléculas (a).
Por outro lado, se a pressão do gás (P) for pequena, o volume do gás (V) torna-se grande. Quanto maior o V, menor o n.2 /V2Quanto menor o n2 /V2, quanto menor a força de atração entre as moléculas.
(V – bn) = Diferença entre o volume do gás e o volume total das moléculas do gás. A constante b representa o volume de um mol de moléculas de gás. n = número de mols. O produto do tempo entre b e n (bn) = volume total das moléculas do gás. Se a pressão do gás (P) se tornar mais significativa, o volume do gás (V) diminuirá.
Quanto menor o volume (V), menor o valor de (V – bn). Isso significa que a distância entre as moléculas aumenta e, consequentemente, a atração entre elas também aumenta. Por outro lado, se a pressão do gás diminui, o volume aumenta. Quanto maior o volume do gás, maior o valor de (V – bn). Quanto maior o valor de (V – bn), menor a atração entre as moléculas do gás.
Podemos afirmar que a equação de van der Waals descreve o estado do gás real com maior precisão do que a equação do gás ideal. Quando a pressão e a densidade do gás são suficientemente altas, a equação de van der Waals fornece resultados mais precisos. Se a pressão do gás não for muito alta, então (an² / V² ) e (V-bn) podem ser ignorados, de modo que a equação de van der Waals se transforma em uma equação de gás ideal.
