Ван дер Ваальс — это имя голландского физика Й. Д. ван дер Ваальса (1837–1923). Уравнение состояния ван дер Ваальса на самом деле является уравнением состояния газа, подобным уравнению состояния идеального газа . Разница заключается в том, что уравнение идеального газа не может дать точных результатов, если давление и плотность реального газа достаточно велики. Уравнение состояния ван дер Ваальса, однако, может дать более точные результаты.
Это уравнение было разработано Ван дер Ваальсом, который осознал ограничения уравнения состояния идеального газа. Ваальс модифицировал уравнение состояния идеального газа, добавив несколько факторов, влияющих на состояние реального газа при достаточно высоких значениях давления и плотности.
С увеличением давления газа повышаются его температура и плотность, а объем газа уменьшается.
Давление газа обратно пропорционально объему. Если давление газа увеличивается, объем уменьшается. И наоборот, если объем газа уменьшается, давление газа увеличивается. Когда объем газа уменьшается, плотность газа увеличивается (плотность = масса / объем). Можно сказать, что давление прямо пропорционально плотности. Если давление газа высокое, то и плотность газа высокая. И наоборот, если давление газа низкое, то и плотность газа низкая. Давление газа также прямо пропорционально температуре. Если давление газа увеличивается, температура газа повышается. Можно заключить, что если давление газа увеличивается, температура и плотность газа увеличиваются, а объем газа уменьшается.
При уменьшении объема газа расстояние между молекулами сокращается. По мере уменьшения расстояния между молекулами, они притягиваются друг к другу. Это похоже на ситуацию, когда кусок железа подносят к магниту. Если расстояние между магнитом и железом достаточно велико, магнит не сможет притянуть железо. Но если расстояние между магнитом и железом мало, железо немедленно притягивается. Когда молекулы вот-вот столкнутся, электроны на внешней поверхности молекул отталкиваются друг от друга (электрическое отталкивание). В результате молекулы не могут слипаться. Из этого краткого объяснения можно сказать, что сила притяжения между молекулами также влияет на состояние газа.
Когда давление газа достаточно высокое, а объем газа мал, расстояние между молекулами сокращается. В этом случае молекулы заполняют почти весь объем газа. Поскольку молекулы также имеют размер (диаметр атома = 10⁻¹⁰ м ), нам также необходимо учитывать объем этих молекул.
Уравнение состояния
Ван дер Ваальс вывел уравнение состояния, учитывающее объем молекул и взаимодействия между ними. Выведенное Ван дер Ваальсом уравнение является модификацией уравнения состояния идеального газа PV = nRT.
Информация :
P = Давление газа (Н/м² = Па)
V = Объем газа ( м³ )
R = Универсальная газовая постоянная (R = 8,315 Дж/моль·К = 8315 кДж/кмоль·К)
T = Температура (К)
а = Эмпирическая константа (ее значение зависит от силы притяжения между молекулами газа)
b = эмпирическая константа (представляет объем одного моля молекул газа)
n = Количество молей (моль)
bn = Общий объем молекул газа
Константы a и b получены экспериментально. Значения констант a и b зависят от типа газа.
n² / V² = отношение квадрата числа молей (n) к квадрату объема газа (V). Значение n² / V² зависит от давления и плотности газа. Если давление газа (P) велико, то объем газа (V) мал. Чем меньше V, тем больше n² / V² . Когда объем газа мал (n² / V² велико ), расстояние между молекулами становится меньше. Чем меньше расстояние между молекулами, тем больше вероятность взаимодействия между ними (столкновение, притяжение). Следовательно, n² / V² прямо пропорционально константе a (сравните с уравнением Ван дер Ваальса, левая часть). Чем больше значение n² / V² , тем больше сила притяжения между молекулами (a). И наоборот, если давление газа (P) мало, то объем газа (V) становится большим. Чем больше V, тем меньше n² / V² . Чем меньше n² / V² , тем меньше сила притяжения между молекулами.
(V – bn) = Разница между объемом газа и общим объемом молекул газа. Константа b обозначает объем одного моля молекул газа. n = количество молей. Произведение b и n (bn) = общий объем молекул газа. Если давление газа (P) больше, то объем газа (V) меньше.
Чем меньше V, тем меньше (V – bn). Это означает, что расстояние между молекулами меньше, и, конечно же, сила притяжения между молекулами больше. И наоборот, если давление газа ниже, объем газа больше. Чем больше объем газа, тем больше (V – bn). Чем больше (V – bn), тем меньше сила притяжения между молекулами газа.
Можно сказать, что уравнение состояния Ван дер Ваальса описывает состояние реального газа точнее, чем уравнение идеального газа. Когда давление и плотность газа достаточно велики, уравнение Ван дер Ваальса дает более точные результаты. Если давление газа не слишком велико, то (an² / V² ) и (V-bn) можно пренебречь, так что уравнение состояния Ван дер Ваальса превращается в уравнение состояния идеального газа.
