Я.Д. Ван-Дер-Ваальс. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Ян Дидерик Ван-Дер-Ваальс (Van der Waals)

(23 ноября 1837 г. – 8 марта 1923 г.)

Нобелевская премия по физике, 1910 г. за работу над уравнением состояния газов и жидкостей. Исследования Ван-дер-Ваальса имеют значение не только для чистой науки. Конструирование холодильных установок базируется на теоретических исследованиях Ван-дер-Ваальса. Жидкий водород и жидкий гелий были получены на основе закона соответственных состояний, открытого Ван-дер-Ваальсом.

Нидерландский физик Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс родился в Лейдене; сын Якобуса Ван-дер-Ваальса, плотника, и Элизабет Ван-дер-Ваальс (в девичестве Ван-ден-Бург). Окончив начальную и среднюю школу в Лейдене, Ян стал учителем начальной школы. С 1862 по 1865 г. он посещал Лейденский университет как вольнослушатель. В 1864 г. он получил удостоверение учителя средней школы по математике и физике и преподавал физику сначала в Девентере в 1864 г., а затем в Гааге, где стал в 1866 г. директором школы.

Вскоре после этого он начал аспирантскую работу по физике и получил степень доктора в Лейдене в 1873 г. Его докторская диссертация, посвященная непрерывности газообразного и жидкого состояний, получила горячее одобрение со стороны Джеймса Клерка Максвелла, одного из величайших физиков XIX в., который сказал о работе В.: «Она сразу поставила его имя в один ряд с самыми выдающимися именами в науке». Эта диссертация, которая затем была переведена на немецкий и французский языки, не только утвердила репутацию Ван-Дер-Ваальса как блестящего физика, но и определила предмет его исследований до конца его научной деятельности. Через четыре года после получения докторской степени он стал первым профессором физики во вновь организованном Амстердамском университете, где и оставался вплоть до самого ухода в отставку в 1908 г., передав свое дело сыну.

Идеи Ван-Дер-Ваальса возникли под влиянием написанной в 1857 г. статьи Рудольфа Юлиуса Эмануэля Клаузиуса, немецкого физика, внесшего большой вклад в кинетическую теорию газов. Согласно этой теории, молекулы газа быстро движутся в разных направлениях. Их удары о стенки содержащего их сосуда определяют давление газа, а средняя скорость молекул (их кинетическая энергия) прямо связана с температурой. Клаузиус показал, как можно использовать эту теорию, чтобы вывести закон, найденный экспериментально в 1662 г. (когда еще не было известно о молекулах) Робертом Бойлем, ирландским физиком и химиком. Закон Бойля утверждает, что для заданной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно. Если, например, объем уменьшается из-за того, что в цилиндр вдвигается поршень, то давление возрастает в такой степени, чтобы сохранялось постоянным данное произведение. Позднее, в XIX в., другие ученые, как, например, французские физики Жак Александр Сезар Шарль и Жозеф Луи Гей-Люссак, показали, что при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре сохраняет постоянное значение. Этот закон тоже можно непосредственно вывести из кинетической теории. Эти два закона можно объединить в одном уравнении состояния, которое справедливо при не слишком большой плотности:

PV = RT, где Р – давление.

V – объем, Т – абсолютная температура, абсолютный нуль, т.е. –273°C, a R – постоянная для всех газов величина, если в объеме содержится хотя бы одна грамм-молекула газа.

Было известно, что это уравнение не совсем точно, причем в разной степени для различных газов и различных условий. Газы, которые точнее всего удовлетворяют этому уравнению, получили название идеальных. Исследуя возможные источники погрешностей, Ван-Дер-Ваальс заметил, что уравнение основывалось на двух предположениях: что молекулы действуют как точечные массы (что приблизительно соответствует действительности, если они удалены друг от друга) и что молекулы не оказывают воздействия друг на друга (за исключением соударений). Он ввел конечный объем для каждой молекулы и силу притяжения между молекулами (не уточняя ее природы), которая сокращала увеличивающееся расстояние. (Другие исследователи позже выяснили детали, но слабое притяжение нехимической природы между молекулами до сих пор часто называют силами Ван-дер-Ваальса.) Затем В. вывел модифицированное уравнение состояния реального газа: (P + α/ν (ν – β) = RT, где α выражает взаимное притяжение молекул газа (деленное на ν², чтобы учесть ослабление этой силы в большем объеме, т.е. при большем среднем расстоянии между молекулами), а Р выражает молекулярный объем. Как α, так и Р принимают разные значения для разных газов.

Хотя уравнение Ван-дер-Ваальса и не удовлетворяло полностью экспериментальным данным, оно явилось существенным улучшением более простого закона и обладало важными следствиями. Притяжение между молекулами приводит к тому, что Ван-Дер-Ваальс назвал внутренним давлением, которое стремится удержать молекулы вместе. По мере того как объем уменьшается под действием внешнего давления, внутреннее давление возрастает гораздо быстрее внешнего. Если оно окажется равным или превысит внешнее давление, то молекулы сцепятся друг с другом и им уже не потребуется более давление со стороны содержащего их сосуда. Газ превратится в жидкость. Это иллюстрирует убеждение Ван-Дер Ваальса, выраженное в его диссертации, что между газообразным и жидким состояниями нет существенной разницы. Те же самые силы и эффекты молекулярного объема действуют в обоих случаях. Различие свойств газов и жидкостей связано с различием в величине, а не в типе сил и объемных эффектов, поскольку молекулы могут располагаться ближе или дальше друг от друга.

Уравнение Ван-дер-Ваальса значительно прояснило обнаруженное ранее существование критической температуры, различной для разных газов, выше которой газ, независимо от величины давления, нельзя было перевести в жидкое состояние. Критическая температура связана с критическим объемом и критическим давлением, которые вместе определяют критическую точку, совокупность специальных значений температуры, давления и объема, при которых нет видимой грани между газом и жидкостью: при этих условиях оба состояния примерно одинаковы, резкого перехода между ними нет. Ван-Дер-Ваальс использовал критическую точку для того, чтобы вывести уравнение, в котором переменные температура, давление и объем выражаются через их значения в критической точке. В результате получилось универсальное соотношение, применимое ко всем газам и зависящее в каждом случае только от критической температуры, давления и объема, а не от природы газа.

Это послужило основой для формулировки в 1880 г. его наиболее важного открытия – закона соответственных состояний. Согласно этому закону, если поведение некоторого газа и соответствующей жидкости известно при всех температурах и давлениях, то состояние любого другого газа или жидкости можно вычислить для любой температуры и давления при условии, что известно их состояние при критической температуре. Этот закон не является совершенным описанием чрезвычайно сложного характера газов и жидкостей, однако он достаточно точен для того, чтобы приближенно определить условия, необходимые для сжижения газов, отталкиваясь от имеющихся экспериментальных данных. Руководствуясь этим законом, шотландский физик Джеймс Дьюар в 1898 г. получил жидкий водород, а Хейке Камерлинг-Оннес, нидерландский коллега Ван-Дер-Ваальса, в 1908 г. получил жидкий гелий.

В своих дальнейших исследованиях Ван-Дер-Ваальс пытался учесть отклонения от уравнения состояния реального газа, вводя переменный молекулярный объем. Он предположил, что молекулы способны образовывать кластер, который затем ведет себя как одна молекула большего размера. Поскольку кластер мог содержать любое число одиночных молекул, газ способен превратиться в сложную смесь. Хотя исходное уравнение Ван-Дер-Ваальс оставалось полезным в целом ряде случаев, его простота во многом была принесена в жертву более точному описанию поведения газа.

Ван-Дер-Ваальс получил в 1910 г. Нобелевскую премию по физике «за работу над уравнением состояния газов и жидкостей». По словам Оскара Монтелиуса, члена Шведской королевской академии наук, во время презентации лауреата, «исследования Ван-Дер-Ваальса имеют огромное значение не только для чистой науки. Современное конструирование холодильных установок, которые ныне являются столь мощным фактором нашей экономики и индустрии, базируется в основном на теоретических исследованиях награжденного».

Ван-Дер-Ваальс женился на Анне Магдалене Смит в 1864 г. Она скончалась, когда три их дочери и сын были еще очень юными, и он никогда уже не женился. Невысокий человек, ведший скромный образ жизни, В. проводил свободное время, играя в бильярд, читая или раскладывая пасьянс. Он умер в Амстердаме в 1923 г. В. получил почетную докторскую степень Кембриджского университета. Кроме того, он являлся членом Нидерландской королевской академии наук и искусств и был избран иностранным членом Французской академии наук. Берлинской королевской академии наук. Московского императорского общества естествоиспытателей, Британского химического общества и американской Национальной академии наук.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.