แวน เดอร์ วาลส์ เป็นชื่อของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เจ.ดี. แวน เดอร์ วาลส์ (ค.ศ. 1837-1923) สมการสถานะของแวน เดอร์ วาลส์ แท้จริงแล้วคือสมการสถานะของแก๊ส คล้ายกับสมการสถานะของก๊าซ สมการสถานะของก๊าซอุดมคติความแตกต่างก็คือ สมการก๊าซในอุดมคติไม่สามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้หากความดันและความหนาแน่นของก๊าซจริงมีค่ามากพอ ในขณะที่สมการสถานะของแวนเดอร์วาลส์สามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่าได้
สมการนี้มีที่มาจากแวน เดอร์ วาลส์ ซึ่งตระหนักถึงข้อจำกัดของสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ วาลส์จึงปรับปรุงสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติโดยเพิ่มปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลต่อสถานะของก๊าซจริงเมื่อความดันและความหนาแน่นของก๊าซจริงสูงเพียงพอ
เมื่อความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น อุณหภูมิและความหนาแน่นของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ในขณะที่ปริมาตรของแก๊สจะลดลง
ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตร ถ้าความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรจะลดลง ในทางกลับกัน ถ้าปริมาตรของแก๊สลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น เมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ความหนาแน่นของแก๊สจะเพิ่มขึ้น (ความหนาแน่น = มวล / ปริมาตร) กล่าวได้ว่าความดันแปรผันตรงกับความหนาแน่น ถ้าความดันของแก๊สสูง ความหนาแน่นของแก๊สก็จะสูง ในทางกลับกัน ถ้าความดันของแก๊สต่ำ ความหนาแน่นของแก๊สก็จะต่ำ ความดันของแก๊สยังแปรผันตรงกับอุณหภูมิด้วย ถ้าความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้น เราจึงสรุปได้ว่า ถ้าความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น อุณหภูมิและความหนาแน่นของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ปริมาตรของแก๊สจะลดลง
เมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะแคบลง เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลแคบลง โมเลกุลก็จะดึงดูดซึ่งกันและกัน คล้ายกับการนำชิ้นเหล็กมาใกล้แม่เหล็ก ถ้าระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กมากพอ แม่เหล็กก็จะไม่สามารถดึงดูดเหล็กได้ แต่ถ้าระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กใกล้กัน เหล็กก็จะถูกดึงดูดเข้าหาแม่เหล็กทันที เมื่อโมเลกุลใกล้จะชนกัน อิเล็กตรอนที่อยู่ด้านนอกของโมเลกุลจะผลักกัน (แรงผลักทางไฟฟ้า) ส่งผลให้โมเลกุลไม่สามารถเกาะติดกันได้ จากคำอธิบายสั้นๆ นี้ สามารถกล่าวได้ว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก็ส่งผลต่อสภาวะของแก๊สเช่นกัน
เมื่อความดันของแก๊สสูงมากและปริมาตรของแก๊สลดลง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะแคบลง ในกรณีนี้ โมเลกุลจะเติมเต็มปริมาตรเกือบทั้งหมดของแก๊ส เนื่องจากโมเลกุลก็มีขนาดด้วย (เส้นผ่านศูนย์กลางอะตอม = 10)-10 m) ดังนั้นเราจึงต้องคำนึงถึงปริมาตรของโมเลกุลเหล่านี้ด้วย
สมการสถานะ
แวน เดอร์ วาลส์ ได้พัฒนาสมการสถานะ โดยคำนึงถึงปริมาตรของโมเลกุลและปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล สมการที่แวน เดอร์ วาลส์ พัฒนาขึ้นนั้นเป็นการดัดแปลงมาจากสมการสถานะของก๊าซอุดมคติ PV = nRT
ข้อสังเกต:
P = ความดันแก๊ส (N/m)2 = ปา)
V = ปริมาตรของแก๊ส (ลบ.ม.)3)
R = ค่าคงที่ของแก๊สสากล (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = อุณหภูมิ (เคลวิน)
a = ค่าคงที่เชิงประจักษ์ (ค่าของมันขึ้นอยู่กับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊ส)
b = ค่าคงที่เชิงประจักษ์ (แสดงถึงปริมาตรของโมเลกุลแก๊สหนึ่งโมล)
n = จำนวนโมล (mol)
bn = ปริมาตรทั้งหมดของโมเลกุลแก๊ส
ค่าคงที่ a และ b ได้มาจากการทดลอง โดยค่าของค่าคงที่ a และ b จะขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซ
n2 / วี2 = อัตราส่วนของกำลังสองของจำนวนโมล (n) ต่อกำลังสองของปริมาตรของแก๊ส (V) ค่าของ n2 / วี2 ขึ้นอยู่กับความดันและความหนาแน่นของแก๊ส ถ้าความดันของแก๊ส (P) มาก ปริมาตรของแก๊ส (V) ก็จะน้อยลง ยิ่ง V น้อย n ก็จะยิ่งมาก2 /V2 เมื่อปริมาตรของแก๊สมีขนาดเล็ก (n)2 / วี2 ยิ่งค่า n มีขนาดใหญ่ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งน้อยลง ยิ่งระยะห่างระหว่างโมเลกุลน้อยลงเท่าไร โอกาสที่จะเกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล (การชนกัน การดึงดูดกัน) ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น n2 / วี2 เป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ a (เปรียบเทียบกับสมการของแวนเดอร์วาลส์ ด้านซ้าย) ยิ่งค่า n มากเท่าไร...2 / วี2ยิ่งแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (a) มากเท่าไร ในทางกลับกัน ถ้าความดันของแก๊ส (P) น้อย ปริมาตรของแก๊ส (V) ก็จะมาก ยิ่ง V มากเท่าไร n ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น2 / วี2 ยิ่ง n เล็กเท่าไหร่2 / วี2 แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก็จะลดลงด้วย
(V – bn) = ผลต่างระหว่างปริมาตรของแก๊สกับปริมาตรทั้งหมดของโมเลกุลแก๊ส ค่าคงที่ b ระบุปริมาตรของโมเลกุลแก๊ส 1 โมล n = จำนวนโมล ผลคูณของ b และ n (bn) = ปริมาตรทั้งหมดของโมเลกุลแก๊ส ถ้าความดันของแก๊ส (P) มากกว่า ปริมาตรของแก๊ส (V) จะน้อยกว่า
ยิ่งค่า V น้อยลง ค่า (V – bn) ก็ยิ่งน้อยลง หมายความว่าระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะใกล้มากขึ้น และแน่นอนว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก็จะมากขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าความดันของแก๊สน้อยลง ปริมาตรของแก๊สก็จะมากขึ้น ยิ่งปริมาตรของแก๊สมากเท่าไหร่ ค่า (V – bn) ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งค่า (V – bn) มากขึ้นเท่าไหร่ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊สก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น
เราอาจกล่าวได้ว่าสมการสถานะของแวนเดอร์วาลส์อธิบายสถานะของก๊าซจริงได้แม่นยำกว่าสมการก๊าซในอุดมคติ เมื่อความดันและความหนาแน่นของก๊าซมีค่ามากพอ สมการของแวนเดอร์วาลส์จะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่า หากความดันของก๊าซไม่มากเกินไป (an)2 / วี2) และ (V-bn) สามารถละเลยได้ ดังนั้นสมการสถานะของแวนเดอร์วาลส์จึงเปลี่ยนไปเป็นสมการสถานะของก๊าซอุดมคติ
