Йоханес Дидерик ван дер Ваалс (Johannes Diderik van der Waals)
23 ноември 1837 г. – 8 март 1923 г.
Нобелова награда за физика, 1910 г.
(За работата му над уравнението за състоянието на газовете и течностите.)
Нидерландският физик Йоханес Дидерик ван дер Ваалс е роден в Лайден. Син е на дърводелеца Якобус ван дер Ваалс и Елизабета ван дер Ваалс (ван дер Бург). Като завършва началното и средното училище в Лайден, Йоханес става начален учител. От 1862 до 1865 година посещава Лайденския университет като доброволен слушател. През 1864 г. получава удостоверение за учител в средното училище по математика и физика и преподава физика отначало в Девентер (1866 г.), а след това в Хага, където през 1866 г. става директор на училището.
Скоро след това Ваалс е вече аспирант по физика и получава в Лайден през 1873 г. степента доктор. Докторската му дисертация за непрекъснатостта на газообразното и течното състояние получава горещото одобрение на Джеймс Максуел, един от най-големите физици на ХІХ в., който казва за нея: "Тя моментално постави името му наред с най-изтъкнатите имена в науката". Дисертацията, която след това е преведена на немски и френски език, не само утвърждава репутацията на Ваалс като блестящ физик, но и определя предмета на неговите изследвания до края на научната му дейност. Четири години след получаването на докторската степен Ваалс става първия професор по физика в новосъздадения Амстердамски университет, където остава до 1908 г., когато предава делото в ръцете на сина си.
Идеите на Ваалс възникват под влиянието на написана през 1857 г. статия на Рудолф Юлиус Емануел Клаузияс, немски физик, допринесъл много за кинетичната газова теория. Според нея молекулите на газа се движат бързо в различни направления. Ударите им в стените на съдържащия ги съд определят налягането на газа, а средната скорост на молекулите (кинетичната им енергия) е свързана пряко с температурата. Клаузиус посочва как тази теория може да се използва, за да се изведе законът, открит експериментално през 1662 г. (когато още не се знае нищо за молекулите) от Роберт Бойл, ирландски физик и химик. Законът на Бойл твърди, че за дадена маса на газа при постоянна температура произведението на налягането и обема е постоянно. Ако например обемът се намалява чрез вкарване на бутало в цилиндър, налягането нараства до такава степен, че да запази даденото произведение постоянно. По-късно, през ХІХ в., други учени като например френските физици Жак Александър Сезар Шарл и Жозеф Луи Гей-Люсак посочват, че при постоянно налягане отношението на обема към абсолютната температура запазва постоянно значение. Този закон също може да бъде изведен непосредствено от кинетичната теория. Двата закона могат да бъдат обединени в едно уравнение за състоянието, валидно при не много голяма плътност: PV = RT, където Р е налягането, V – обема, Т – абсолютната температура, абсолютната нула, или –273°C, a R е постоянна за всички газове величина, ако имаме в наличие дори и една грам-молекула газ.
Известно е, че това уравнение не е съвсем точно, при това в различна степен за различни газове и различни условия. Газовете, които удовлетворяват най-точно уравнението, получават названието идеални. Изследвайки възможните източници на грешки, Ваалс забелязва, че уравнението се основава на две предположения: молекулите действат като точкови маси (което отговаря приблизително на действителността, ако са отдалечени една от друга) и молекулите не си взаимодействат (с изключение на удрянето си една в друга). Ваалс въвежда краен обем за всяка молекула и сила на привличане между молекулите (без да уточнява природата й), която скъсява увеличаващото се разстояние. (По-късно други изследователи изясняват детайлите, но слабото нехимическо привличане между молекулите често се нарича и до днес "сили на ван дер Ваалс"). След това Ваалс въвежда и модифицирано уравнение за състоянието на реалния газ: (P + α/ν (ν – β) = RT, където α изразява взаимното привличане на газовите молекули (делено на ν2, за да се отчете отслабването на силата при голям обем, или голямо средно растояние между молекулите), а Р изразява молекулярния обем. Както α, така и Р имат различни значения за различните газове.
Макар че уравнението на ван дер Ваалс не удовлетворява напълно експерименталните данни, то подобрява съществено по-простия закон и има важни следствия. Привличането между молекулите довежда до това, което Ваалс нарича вътрешно налягане, стремящо се да задържи молекулите заедно. С намаляване на обема под външен натиск вътрешното налягане нараства много повече от външното. Ако то се изравни или превиши външното налягане, молекулите ще се свържат една с друга и вече няма да им е необходимо по-голямо налягане от страна на съда, в който се намират. Газът се превръща в течност. Това илюстрира убеждението на Ваалс, изразено в неговата дисертация, че между газообразните и течните състояния няма съществена разлика. И в двата случая действат едни и същи сили и ефекти на молекулярния обем. Различните свойства на газовете и течностите са свързани с разлики във величината, а не във вида на силите и обемните ефекти, тъй като молекулите могат да се разполагат по-близо или по-далече една от друга.
Уравнението на ван дер Ваалс изяснява значително откритото по-рано съществуване на критична температура, различна за различните газове, над която газът, независимо от силата на налягането, не може да се приведе в течно състояние. Критичната температура е свързана с критичен обем и критично налягане, които заедно определят критичната точка, съвкупност от специални значения на температурата, налягането и обема, при които няма видима граница между газа и течността: при тези условия двете състояния са примерно еднакви, между тях няма рязък преход. Ваалс използва критичната точка, за да изведе уравнение, в което променливите температура, налягане и обем се изразяват чрез значенията им в критичната точка. В резултат от това се получава универсално съотношение, приложимо към всички газове и зависещо във всеки случай само от критичната температура, налягане и обем, а не от природата на газа.
Това ляга в основата на формулираното през 1880 г. най-важно откритие на Ваалс - закона за съответните състояния. Според този закон, ако поведението на някой газ и съответна течност е известно при всички температури и налягания, състоянието на всеки друг газ или течност може да се изчисли за всяка температура и налягане при условие, че е известно състоянието им при критичната температура. Законът не е съвършено описание на извънредно сложния характер на газовете и течностите, но е достатъчно точен, за да определи приблизително условията, необходими за втечняването на газовете, като се ползват за изходна точка наличните експериментални данни. Ръководейки се от този закон, шотландският физик Джеймс Дюар получава през 1898 г. течен водород, а Камерлинг-Онес, нидерландски колега на Ваалс, получава през 1908 г. течен хелий.
В по-нататъшните си изследвания Ваалс се опитва да вземе предвид отклоненията от уравнението за състоянието на реалния газ, въвеждайки променлив молекулярен обем. Той прави предположението, че молекулите са способни да образуват струпване, което след това се държи като една молекула с голям размер. Тъй като струпването може да съдържа произволно число единични молекули, газът е способен да се превърне в сложна смес. Макар че изходното уравнение на Ваалс е полезно в цял ред случаи, простотата му в много отношения е жертвана заради по-точното описание на поведението на газа.
През 1864 г. Ваалс
се жени за Ана Магдалена Смит. Тя умира,
когато трите дъщери и синът им са още много
малки. Дребен на ръст човек, който води
скромен живот, Ваалс прекарва свободното
си време в игра на билярд, четейки или
редейки пасианси. Умира в Амстердам.
Носител е на почетна докторска степен на Кеймбриджкия
университет. Освен това е член на
Нидерландската кралска академия на
науките и изкуствата и е избран за
чуждестранен член на Френската академия на
науките, Берлинската кралска академия на
науките, Московското императорско
дружество на естествоизпитателите,
Британското химическо дружество и
американската Национална академия на
науките.
Превод от руски: Павел Б. Николов
