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 là một phương trình trạng thái của chất khí, tương tự như phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Sự khác biệt là, phương trình trạng thái của khí lý tưởng không thể cho kết quả chính xác nếu áp suất và mật độ của khí thực đủ lớn. Trong khi đó, phương trình trạng thái Van der Waals có thể cho kết quả chính xác hơn.
Sự tồn tại của phương trình này bắt nguồn từ Van der Waals, người đã nhận ra những hạn chế của phương trình trạng thái lý tưởng. Waals đã sửa đổi phương trình trạng thái của khí lý tưởng bằng cách thêm vào một số yếu tố cũng ảnh hưởng đến điều kiện khí thực khi áp suất và mật độ của khí thực lớn.
Áp suất khí tỷ lệ nghịch với thể tích. Nếu áp suất khí tăng, thể tích khí 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 lớn, mật độ khí cũng lớn. Ngược lại, nếu áp suất khí nhỏ, mật độ khí cũng nhỏ. 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 của khí tăng, trong khi thể tích khí giảm.
Khi thể tích khí giảm, khoảng cách giữa các phân tử trở nên gần hơn. Khi khoảng cách giữa các phân tử gần hơn, chúng sẽ hút nhau. Giống 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 hơn, sắt sẽ bị hút lại gần. Khi các phân tử sắp va chạm, các electron ở bên ngoài phân tử đẩy nhau (lực đẩy điện). Kết quả là, các phân tử không thể dính lại với nhau. Từ mô tả ngắn gọn này, có thể nói rằng lực hút giữa các phân tử ảnh hưởng đến trạng thái của khí.
Khi áp suất khí đủ lớn và thể tích khí giảm, khoảng cách giữa các phân tử sẽ gần nhau hơn. Vì các phân tử cũng có kích thước (đường kính nguyên tử = 10⁻¹⁰ m ), nên chúng ta cũng cần xem xét thể tích của các phân tử này.
Van der Waals đơn giản hóa phương trình trạng thái bằng cách xem xét thể tích phân tử và các tương tác xảy ra giữa các phân tử. Phương trình do Van der Waals đưa ra là kết quả của việc sửa đổi phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = n R T. Phương trình trạng thái Van der Waals:
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 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 thông qua thực nghiệm. Giá trị của các hằng số a và b phụ thuộc vào loại khí.
n2 / v2 = tỉ số bình phương của số mol (n) với bình phương thể tích khí (V). Giá trị của n2 / v2 Điều này 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, n càng lớn.2 / v2Khi thể tích khí nhỏ (n)2 / v2 (kích thước lớn) khoảng cách giữa các phân tử càng gần. Khoảng cách giữa các phân tử càng gần, tương tác giữa các phân tử này càng mạnh (va chạm, kéo lại gần nhau). Do đó, n2 / v2 tỷ lệ thuận với một hằng số (so sánh với phương trình van der Waals). Giá trị n càng lớn thì n càng cao.2 / v2, lực hút giữa các phân tử càng lớn (a).
Ngược lại, nếu áp suất khí (P) nhỏ thì thể tích khí (V) sẽ lớn. Thể tích V càng lớn thì n càng nhỏ.2 / v2. Số n càng thấp2 / v2Lực hút giữa các phân tử càng thấp thì lực hút càng yếu.
(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 thời gian giữa b và n (bn) = tổng thể tích của các phân tử khí. Nếu áp suất khí (P) tăng lên, thì thể tích khí (V) sẽ giảm xuống.
Thể tích V càng nhỏ, thì (V – bn) càng nhỏ. Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các phân tử tăng lên và dĩ nhiên, lực hút giữa các phân tử cũng tăng lên. Ngược lại, nếu áp suất khí giảm, thể tích khí sẽ tăng. Thể tích khí càng lớn, thì (V – bn) càng cao. (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 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 chuyển thành phương trình trạng thái khí lý tưởng.
