Johannes Diderik van der Waals

Johannes Diderik van der Waals

23. 11. 1837–8. 3. 1923

Nizozemský fyzik, který jako samouk odvodil stavovou rovnici reálných plynů a kapalin a zjistil mezimolekulární přitažlivé síly – van der Waalsovy síly. Nositel Nobelovy ceny za fyziku 1910.

Holandský fyzik Johannes Diderik van der Waals se narodil 23. listopadu 1837 v Leydenu (Leiden) v Nizozemsku jako nejstarší z deseti dětí. Jeho otec Jacobus van der Waals byl tesař; rodina neměla prostředky na vzdělání, které by vedlo ke studiu na univerzitě. Van der Waals proto absolvoval pouze základní a rozšířenou základní školu a od roku 1856 se jako samouk připravoval na učitelské zkoušky.

Cesta k doktorátu

V letech 1862–1865 van der Waals navštěvoval přednášky z fyziky, matematiky a astronomie na Leidenské univerzitě – formálně však nebyl zapsán jako student, protože neznal latinu (podmínka pro akademické zkoušky). Díky dosaženému vzdělání mohl vyučovat matematiku a fyziku: roku 1864 nastoupil na střední školu v Deventeru, roku 1866 přešel do Haagu, kde se stal ředitelem jedné ze středních škol. Nová legislativa mu umožnila získat výjimku z požadavku latinských zkoušek a podat si žádost o doktorát.

Dne 14. června 1873 obhájil van der Waals ve věku 35 let disertaci Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (O spojitosti plynného a kapalného skupenství) pod vedením školitele Pietera Rijkeho (fyzika proslaveného Rijkeho trubicí). Práce okamžitě upoutala pozornost mezinárodní vědecké komunity – mimo jiné Jamese Clerka Maxwella, který ji označil za výjimečnou.

V roce 1877 se van der Waals stal profesorem fyziky na nově ustavené Komunální univerzitě v Amsterodamu, kde setrval až do roku 1907.

Podpis J. D. van der Waalse
Van der Waalsův podpis

Van der Waalsova rovnice

Na základě své disertace Waals odvodil stavovou rovnici platnou pro reálné plyny a kapaliny – van der Waalsovu rovnici:

(p + a / Vm2) · (Vm − b) = RT

kde p je tlak, Vm je molární objem, T teplota a R plynová konstanta. Parametr a vyjadřuje velikost mezimolekulárních přitažlivých sil a parametr b vlastní objem molekul. Rovnice překonávala ideální zákon plynů (p·V = R·T), který předpokládal nulový objem a nulové silové interakce molekul. V roce 1890 van der Waals publikoval rozšíření rovnice pro binární dvoufázový systém. V roce 1893 publikoval hlavní koncepty termodynamické teorie kapilarity, v níž předpovídal pozvolnou, pak prudkou změnu hustoty na rozhraní kapaliny a páry.

Van der Waalsovy síly

Van der Waals se zabýval problémem spojitosti plynného a kapalného stavu látek. Dokázal existenci sil působících na úrovni molekul, které brání jejich oddělení. Tyto van der Waalsovy síly zahrnují tři složky:

Důsledkem van der Waalsových sil je vnitřní tlak v kapalinách a odchylky plynů od ideálního chování. Síly jsou krátko­dosahové (klesají s 6. mocninou vzdálenosti), ale klíčové pro pochopení kondenzace plynů, povrchového napětí a struktury biomolekul (DNA, bílkoviny).

Kamerlingh Onnes a odkaz van der Waalsovy práce

Onnes a Van der Waals
Heike Kamerlingh Onnes a Van der Waals (Leiden, 1908)

Heike Kamerlingh Onnes byl van der Waalsovou prací hluboce ovlivněn. Na základě van der Waalsovy stavové rovnice a principu korespondujících stavů Onnes v roce 1908 jako první zkapalnil helium – nejobtížnější plyn ke zkapalnění – a v roce 1911 objevil supravodivost. Za tyto výsledky obdržel Nobel v roce 1913.

Van der Waals obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1910 za výzkum týkající se stavové rovnice plynů a kapalin. Johannes Diderik van der Waals zemřel 8. března 1923 v Amsterodamu ve věku 85 let.

Van der Waalsův hrob
Van der Waalsův hrob – hřbitov Nieuwe Ooster, Amsterdam, Nizozemsko
Zdroj: Wikipedia

Použity materiály publikované na serveru NobelPrize.org.

Časté otázky

Co je van der Waalsova rovnice a proč nahrazuje ideální zákon plynů?
Van der Waalsova rovnice (p + a/Vm²)·(Vm − b) = RT přidává k ideálnímu zákonu dva parametry: a (mezimolekulární přitažlivost) a b (vlastní objem molekul). Reálné molekuly mají konečný objem a přitahují se – to ideální zákon ignoruje.
Jaké jsou typy van der Waalsových sil?
Tři složky: Keesomsova (dipól–dipól), Debyeova (dipól–indukovaný dipól) a Londýnská disperzní síla (indukovaný dipól–indukovaný dipól). Londýnská interakce působí i mezi nenepolárními molekulami a bývá nejvýraznější složkou.
Jak van der Waals získal doktorát bez znalosti latiny?
Latinský požadavek ke zkouškám byl v Nizozemsku zákonnou podmínkou. Van der Waals ho nesplňoval; teprve nová legislativa mu umožnila získat výjimku a v roce 1873 ve věku 35 let obhájil disertaci.
Jak van der Waalsova práce přispěla k Onnesovu objevu supravodivosti?
Van der Waalsova stavová rovnice a princip korespondujících stavů umožnily Onnesovi systematicky přistupovat ke zkapalňování plynů. Zkapalněním hélia (1908) dosáhl teploty blízké absolutní nule a v roce 1911 v kapalném heliu objevil supravodivost rtuti.

Další informace

Časté překlepy: van der Waals Johannes, van der Waal, van de Waals.

Pojmenováno po van der Waalsovi

Související