Van der Waals (23.11.1837-8.03.1923)
Нідерландський фізик Ян Дідерик Ван-дер-Ваальс, лауреат Нобелівської премії з фізики за 1910 рік через роботу над рівнянням стану газів і рідин (рівняння Ван-дер-Ваальса). Це найвідоміша його досягнення, хоча він вивів і більш складні рівняння стану реальних газів і рідин, використовуючи ідею кластерів молекул в рідині.
Детальна біографія
Ян Дідерик Ван-дер-Ваальс народився в Лейдені (Нідерланди) 23 листопада 1837 року.
Його батько - тесля Якобус Ван-дер-Ваальс, мати - Елізабет Ван-дер-Ваальс (Елізабет Ван-ден-Бург).
Закінчивши початкову і середню школу в Лейдені, Ян став вчителем початкової школи.
З 1862 по 1865 роки він відвідував Лейденський університет як вільний слухач.
У 1864 році Ван-дер-Ваальс отримав посвідчення вчителя середньої школи з математики та фізики і став викладати фізику спочатку в Девентер (у 1864 році), а потім у Гаазі, де в 1866 році став директором школи.
Ван-дер-Ваальс одружився на Анні Магдалені Сміт у 1864 році. Вона померла, коли три їх дочки і син були ще дуже юними, і він ніколи вже не одружився.
У 1873 році він закінчив аспірантську роботу з фізики і отримав ступінь доктора в Лейдені.
Його докторська дисертація була присвячена безперервності газоподібного та рідкого станів і отримала гаряче схвалення з боку Джеймса Клерка Максвелла, одного з найвидатніших фізиків XIX століття, який сказав про роботу Ван-дер-Ваальса, що вона поставила його ім'я в один ряд з найвидатнішими іменами в науці. Ця дисертація була переведена на німецьку та французьку мови і затвердила репутацію Ван-дер-Ваальс як блискучого фізика. Вона визначила предмет його досліджень до кінця наукової діяльності.
Через чотири роки після отримання докторського ступеня він став першим професором фізики у знову організованому Амстердамському університеті, де і залишався аж до самого відходу у відставку в 1908 році, передавши свою справу синові.
Ідеї Ван-дер-Ваальса виникли під впливом написаної в 1857 році статті німецького фізика Рудольфа Юліуса Емануеля Клаузіуса, який вніс великий внесок у кінетичну теорію газів. За цією теорією, молекули газу швидко рухаються в різних напрямках, їх удари об стінки містить їх судини визначають тиск газу, а середня швидкість молекул (їх кінетична енергія) прямо пов'язана з температурою. Клаузіус показав, як можна використовувати цю теорію, щоб вивести закон, знайдений експериментально в 1662 році (коли ще не було відомо про молекулах) Робертом Бойл, ірландським фізиком і хіміком. Закон Бойля стверджує, що для заданої маси газу при постійній температурі добуток тиску на обсяг постійно. Якщо, наприклад, обсяг зменшується через те, що в циліндр вдвигается поршень, то тиск зростає в такій мірі, щоб зберігалося постійним даний твір.
Пізніше, в XIX столітті, французькі фізики Жак Олександр Сезар Шарль і Жозеф Луї Гей-Люссак, показали, що при постійному тиску відношення обсягу до абсолютної температурі зберігає постійне значення. Цей закон теж можна безпосередньо вивести з кінетичної теорії.
Ці два закони можна об'єднати в одному рівнянні стану, яке справедливо при не занадто великий щільності: p V = RT, де p - тиск, V - об'єм, Т - абсолютна температура (тобто температура, відлічених від абсолютного нуля, T0 = -273 ° C, a R - постійна для всіх газів величина.
Було відомо, що це рівняння не зовсім точно, причому в різній мірі для різних газів і різних умов. Гази, які задовольняють цьому рівнянню, називають ідеальними (на відміну від реальних газів). Досліджуючи можливі джерела похибок ("неідеальності"), Ван-дер-Ваальс зауважив, що рівняння грунтувалося на двох припущеннях: що молекули діють як точкові маси (що приблизно відповідає дійсності, якщо вони віддалені один від одного) і що молекули не роблять впливу один на одного (за винятком зіткнень). Він ввів кінцевий об'єм для кожної молекули і силу тяжіння між молекулами (не уточнюючи її природи), яка скорочувала збільшується відстань, у вигляді деяких коефіцієнтів рівняння, залежні від газу. (Це слабке притягання нехімічної природи між молекулами до цих пір часто називають силами Ван-дер-Ваальса.)
Ван-дер-Ваальс модифікував рівняння стану ідеального газу, наблизивши його до реального: (p + α / V2) (V - β) = RT, де α висловлює взаємне притягання молекул газу (ділене на V2, щоб врахувати ослаблення цієї сили в більшому обсязі, тобто при більшій середній відстані між молекулами), а β висловлює молекулярний об'єм молекули. Як α, так і β приймають різні значення для різних газів.
Хоча рівняння Ван-дер-Ваальса і не задовольняло повністю експериментальним даними, воно стало істотним поліпшенням більш простого закону та мало, важливими наслідками. Тяжіння між молекулами призводить до того, що Ван-дер-Ваальс назвав внутрішнім тиском, який прагне утримати молекули разом. У міру того як обсяг зменшується під дією зовнішнього тиску, внутрішній тиск зростає набагато швидше зовнішнього. Якщо воно виявиться рівним або перевищить зовнішній тиск, то молекули зчепляться один з одним і вже не зможуть більше міняти свій об'єм при подальшому збільшенні тиску. Газ перетвориться на рідину.
Ці міркування підтвердили переконання Ван-дер-Ваальса, що між газоподібним і рідким станами немає істотної різниці. Ті ж самі сили і ефекти молекулярного обсягу діють в обох випадках. Відмінність властивостей газів і рідин пов'язано з відмінностями у величині, а не в типі сил і об'ємних ефектів. Просто молекули можуть розташовуватися ближче або далі один від одного.
Рівняння Ван-дер-Ваальса значно прояснило виявлене раніше існування критичної температури, різної для різних газів, вище якої газ, незалежно від величини тиску, не можна було перевести в рідкий стан. Критична температура пов'язана з критичним обсягом і критичним тиском, які разом визначають критичну точку, сукупність спеціальних значень температури, тиску та об'єму, при яких немає видимої межі між газом і рідиною: при цих умовах обидва стану приблизно однакові, різкого переходу між ними немає. Ван-дер-Ваальс використовував критичну крапку для того, щоб вивести рівняння, в якому змінні температура, тиск і об'єм виражаються через їх значення у критичній точці. У результаті вийшло універсальне співвідношення, яке застосовується до всіх газів і залежне в кожному випадку тільки від критичної температури, тиску та об'єму, а не від природи газу.
У 1880 році Ван-дер-Ваальс опублікував своє найбільш важливе відкриття - закон відповідних станів. Згідно з цим законом, якщо поведінка деякого газу і відповідної рідини відомо при всіх температурах і тиску, то стан будь-якого іншого газу або рідини можна обчислити для будь-якої температури і тиску за умови, що відомо їхній стан при критичній температурі. Цей закон не є абсолютно точним описом надзвичайно складного характеру поведінки реальних газів і рідин, проте він досить точний, щоб наближено визначити умови, необхідні для скраплення газів, маючи неповні експериментальні дані.
Використовуючи цей закон, шотландський фізик Джеймс Дьюар в 1898 році одержав рідкий водень, а нідерландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес у 1908 році отримав рідкий гелій.
Ван-дер-Ваальс намагався уточнити рівняння стану реального газу і рідини, вводячи змінний об'єм молекул. Він припустив, що молекули здатні утворювати кластери, які потім ведуть себе як єдині молекули більшого розміру. Цей кластер міг містити будь-яке число одиночних молекул, отже, газ здатний перетворитися в складну суміш. Більш точні описи виявилися дуже складними, тому частіше користуються більш простим, хоча і менш точним рівнянням Ван-дер-Ваальса.
Ван-дер-Ваальс отримав в 1910 році Нобелівську премію з фізики "за роботу над рівнянням стану газів і рідин".
За словами Оскара Монтеліуса, члена Шведської королівської академії наук, сказаним ним під час презентації лауреата, "дослідження Ван-дер-Ваальса мають величезне значення не тільки для чистої науки. Сучасне конструювання холодильних установок, які нині є настільки потужним чинником нашої економіки та індустрії, базується в основному на теоретичних дослідженнях нагородженого ".
Невисокий чоловік, який вів скромний спосіб життя, Ван-дер-Ваальс проводив вільний час, граючи в більярд, читаючи або розкладаючи пасьянс.
Він помер в Амстердамі 8 березня 1923.
Ван-дер-Ваальс отримав почесний докторський ступінь Кембриджського університету. Крім того, він був членом Нідерландської королівської академії наук і мистецтв і був обраний іноземним членом Французької академії наук, Берлінської королівської академії наук, Московського імператорського товариства дослідників природи, Британського хімічного товариства й американської Національної академії наук.