Van der Waals là tên của một nhà vật lý người Hà Lan, J.D. van der Waals (1837–1923). Phương trình trạng thái van der Waals thực chất là một phương trình trạng thái khí, tương tự như phương trình trạng thái khí lý tưởng . Sự khác biệt là phương trình khí lý tưởng không thể cho kết quả chính xác nếu áp suất và mật độ của khí thực đủ lớn. Tuy nhiên, phương trình trạng thái van der Waals có thể cho kết quả chính xác hơn.
Phương trình này bắt nguồn từ Van der Waals, người đã nhận ra những hạn chế của phương trình trạng thái khí lý tưởng. Waals đã sửa đổi phương trình trạng thái khí lý tưởng bằng cách thêm vào một số yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái của khí thực khi áp suất và mật độ của khí thực đủ cao.
Khi áp suất khí tăng, nhiệt độ và mật độ của khí cũng tăng, trong khi thể tích của khí giảm.
Áp suất khí tỷ lệ nghịch với thể tích. Nếu áp suất khí tăng, thể tích giảm. Ngược lại, nếu thể tích khí giảm, áp suất khí tăng. Khi thể tích khí giảm, mật độ khí tăng (mật độ = khối lượng / thể tích). Có thể nói rằng áp suất tỷ lệ thuận với mật độ. Nếu áp suất khí cao, thì mật độ khí cũng cao. Ngược lại, nếu áp suất khí thấp, thì mật độ khí cũng thấp. Áp suất khí cũng tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nếu áp suất khí tăng, nhiệt độ khí tăng. Ta có thể kết luận rằng nếu áp suất khí tăng, nhiệt độ và mật độ khí tăng, trong khi thể tích khí giảm.
Khi thể tích của một chất khí giảm, khoảng cách giữa các phân tử trở nên gần hơn. Khi khoảng cách giữa các phân tử gần hơn, các phân tử hút nhau. Điều này tương tự như khi đưa một miếng sắt lại gần nam châm. Nếu khoảng cách giữa nam châm và sắt đủ xa, nam châm không thể hút sắt. Nhưng nếu khoảng cách giữa nam châm và sắt gần, sắt sẽ bị kéo lại gần ngay lập tức. Khi các phân tử sắp va chạm, các electron ở bên ngoài các phân tử đẩy nhau (lực đẩy điện). Kết quả là, các phân tử không thể dính lại với nhau. Từ lời giải thích ngắn gọn này, có thể nói rằng lực hút giữa các phân tử cũng ảnh hưởng đến trạng thái của chất khí.
Khi áp suất khí đủ cao và thể tích khí nhỏ, khoảng cách giữa các phân tử trở nên gần hơn. Trong trường hợp này, các phân tử gần như lấp đầy toàn bộ thể tích của khí. Vì các phân tử cũng có kích thước (đường kính nguyên tử = 10⁻¹⁰ m ), chúng ta cũng cần tính đến thể tích của các phân tử này.
Phương trình trạng thái
Van der Waals đã thiết lập một phương trình trạng thái, có tính đến thể tích của các phân tử và các tương tác xảy ra giữa các phân tử. Phương trình do Van der Waals thiết lập là một sự sửa đổi của phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = nRT.
Thông tin :
P = Áp suất khí (N/m² = Pa)
V = Thể tích khí ( m³ )
R = Hằng số khí phổ quát (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = Nhiệt độ (K)
a = Hằng số thực nghiệm (giá trị của nó phụ thuộc vào lực hút giữa các phân tử khí)
b = hằng số thực nghiệm (biểu thị thể tích của một mol phân tử khí)
n = Số mol (mol)
bn = Tổng thể tích của các phân tử khí
Các hằng số a và b được xác định bằng thực nghiệm. Giá trị của các hằng số a và b phụ thuộc vào loại khí.
n² /V² = tỷ số giữa bình phương số mol (n) và bình phương thể tích khí (V). Giá trị của n² / V² phụ thuộc vào áp suất và mật độ của khí. Nếu áp suất khí (P) lớn, thì thể tích khí (V) nhỏ. V càng nhỏ, n²/V² càng lớn . Khi thể tích khí nhỏ (n² / V² lớn ), khoảng cách giữa các phân tử trở nên gần hơn. Khoảng cách giữa các phân tử càng gần, khả năng tương tác giữa các phân tử càng lớn (va chạm, hút nhau). Do đó, n² / V² tỷ lệ thuận với hằng số a (so sánh với phương trình van der Waals, vế trái). Giá trị của n²/V² càng lớn , lực hút giữa các phân tử (a) càng lớn. Ngược lại, nếu áp suất khí (P) nhỏ, thì thể tích khí (V) trở nên lớn. V càng lớn, n² / V² càng nhỏ . Giá trị n 2 / V 2 càng nhỏ thì lực hút giữa các phân tử cũng càng nhỏ.
(V – bn) = Hiệu giữa thể tích khí và tổng thể tích của các phân tử khí. Hằng số b biểu thị thể tích của một mol phân tử khí. n = số mol. Tích của b và n (bn) = tổng thể tích của các phân tử khí. Nếu áp suất khí (P) lớn hơn, thể tích khí (V) sẽ nhỏ hơn.
Thể tích V càng nhỏ, thì (V – bn) càng nhỏ. Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các phân tử càng gần và tất nhiên lực hút giữa các phân tử càng lớn. Ngược lại, nếu áp suất khí thấp hơn, thể tích khí sẽ lớn hơn. Thể tích khí càng lớn, thì (V – bn) càng lớn. (V – bn) càng lớn, lực hút giữa các phân tử khí càng nhỏ.
Ta có thể nói rằng phương trình trạng thái van der Waals mô tả trạng thái của khí thực chính xác hơn phương trình khí lý tưởng. Khi áp suất và mật độ khí đủ lớn, phương trình van der Waals cho kết quả chính xác hơn. Nếu áp suất khí không quá lớn, thì (an² / V² ) và (V-bn) có thể bỏ qua, do đó phương trình trạng thái van der Waals trở thành phương trình trạng thái khí lý tưởng.
