Johannes Diderik van der Waals

Johannes Diderik van der Waals
Equação de Van der Waals, Forças de Van der Waals
Nascimento	23 de novembro de 1837 Leiden, Holanda do Sul
Morte	8 de março de 1923 (85 anos) Amesterdão, Holanda do Norte
Sepultamento	Amsterdam New Eastern Cemetery
Nacionalidade	Neerlandês
Cidadania	Reino dos Países Baixos
Cônjuge	Anna Magdalena Smit
Filho(a)(s)	Jacqueline E. van der Waals, Johannes Diderik van der Waals jr.
Alma mater	Universidade de Leiden
Ocupação	físico, químico, matemático, físico teórico, professor universitário
Distinções	Nobel de Física (1910)
Empregador(a)	Universidade de Amsterdã
Orientador(a)(es/s)	Pieter Rijke[1]
Instituições	Universidade de Amsterdã
Tese	1873: Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand
Obras destacadas	Raio de Van der Waals, Equação de Van der Waals
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Johannes Diderik van der Waals (^{[nota 1]} 23 de novembro de 1837 – 8 de março de 1923) foi um físico teórico neerlandês que recebeu o Nobel de Física em 1910 "por seu trabalho na equação de estado para gases e líquidos".^[2] Van der Waals iniciou sua carreira como professor escolar. Tornou-se o primeiro professor de física da Universidade de Amsterdã quando seu status foi elevado para Universidade Municipal em 1877.

Seu nome está primariamente associado à equação de van der Waals, uma equação de estado que descreve o comportamento dos gases e sua condensação para a fase líquida. Seu nome também está associado com as forças de van der Waals (forças entre moléculas estáveis),^[3] com moléculas de van der Waals (pequenos aglomerados moleculares ligados por forças de van der Waals), e com o raio de van der Waals (tamanho das moléculas). James Clerk Maxwell certa vez disse que "não há dúvida de que o nome de Van der Waals estará em breve entre os principais na ciência molecular".^[4]

Em sua tese de 1873, Van der Waals notou a não idealidade dos gases reais e atribuiu isso à existência de interações intermoleculares. Ele introduziu a primeira equação de estado derivada pela suposição de um volume finito ocupado pelas moléculas constituintes.^[5] Liderada por Ernst Mach e Wilhelm Ostwald, uma forte corrente filosófica que negava a existência de moléculas surgiu no final do século XIX. A existência molecular era considerada não comprovada e a hipótese molecular desnecessária. Na época em que a tese de Van der Waals foi escrita (1873), a estrutura molecular dos fluidos não havia sido aceita pela maioria dos físicos, e líquido e vapor eram frequentemente considerados quimicamente distintos. Mas o trabalho de Van der Waals afirmou a realidade das moléculas e permitiu uma avaliação de seu tamanho e força atrativa. Sua nova fórmula revolucionou o estudo das equações de estado. Ao comparar sua equação de estado com dados experimentais, Van der Waals foi capaz de obter estimativas para o tamanho real das moléculas e a força de sua atração mútua.^[6]

O efeito do trabalho de Van der Waals na física molecular do século XX foi direto e fundamental.^[7] Ao introduzir parâmetros caracterizando o tamanho e a atração molecular na construção de sua equação de estado, Van der Waals estabeleceu o tom para a ciência molecular moderna. É considerado atualmente um axioma que aspectos moleculares como tamanho, forma, atração e interações multipolares devam formar a base para formulações matemáticas das propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos.^[8] Com a ajuda da equação de estado de Van der Waals, os parâmetros do ponto crítico dos gases poderiam ser previstos com precisão a partir de medições termodinâmicas feitas em temperaturas muito mais altas. Nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e hélio subsequentemente sucumbiram à liquefação. Heike Kamerlingh Onnes foi significativamente influenciado pelo trabalho pioneiro de Van der Waals. Em 1908, Onnes foi o primeiro a produzir hélio líquido; isso levou diretamente à sua descoberta de 1911 da supercondutividade.^[9]

Johannes Diderik van der Waals nasceu em 23 de novembro de 1837 em Leiden, nos Países Baixos. Era o mais velho dos dez filhos de Jacobus van der Waals e Elisabeth van den Berg. Seu pai era um carpinteiro em Leiden. Como era comum para todas as meninas e meninos da classe trabalhadora no século XIX, ele não frequentou o tipo de escola secundária que lhe daria o direito de ingressar na universidade. Em vez disso, foi para uma escola de "ensino primário avançado", que concluiu aos quinze anos. Tornou-se então estagiário de professor em uma escola primária. Entre 1856 e 1861, seguiu cursos e obteve as qualificações necessárias para se tornar professor e diretor de escola primária.^[4]

Em 1862, começou a frequentar aulas de matemática, física e astronomia na universidade de sua cidade natal, embora não estivesse qualificado para ser matriculado como estudante regular, em parte devido à falta de educação em línguas clássicas. No entanto, a Universidade de Leiden tinha uma disposição que permitia a estudantes externos cursar até quatro disciplinas por ano. Em 1863, o governo neerlandês iniciou um novo tipo de escola secundária (HBS, uma escola voltada para os filhos das classes médias altas). Van der Waals — na época diretor de uma escola primária — queria se tornar professor de HBS em matemática e física e passou dois anos estudando em seu tempo livre para os exames necessários.^[10]

Em 1865, foi nomeado professor de física no HBS em Deventer e, em 1866, recebeu uma posição em Haia, que era perto o suficiente de Leiden para permitir que Van der Waals retomasse seus cursos na universidade. Em setembro de 1865, pouco antes de se mudar para Deventer, Van der Waals casou-se com a jovem de dezoito anos Anna Magdalena Smit.^[4]

Van der Waals ainda carecia do conhecimento das línguas clássicas que lhe daria o direito de ingressar na universidade como estudante regular e fazer exames. No entanto, aconteceu que a lei que regulamentava o ingresso na universidade foi alterada e a dispensa do estudo das línguas clássicas poderia ser dada pelo ministro da educação. Van der Waals recebeu esta dispensa e passou nos exames de qualificação em física e matemática para estudos de doutorado.^[4]

Na Universidade de Leiden, em 14 de junho de 1873, defendeu sua tese de doutorado Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (sobre a continuidade do estado gasoso e líquido) sob Pieter Rijke. Na tese, introduziu os conceitos de volume molecular e atração molecular.^[11]

Em setembro de 1877, Van der Waals foi nomeado o primeiro professor de física na recém-fundada Universidade Municipal de Amsterdã. Dois de seus notáveis colegas eram o físico-químico Jacobus Henricus van 't Hoff e o biólogo Hugo de Vries. Van der Waals permaneceu na Universidade de Amsterdã até sua aposentadoria aos 70 anos. Foi sucedido por seu filho Johannes Diderik van der Waals, Jr., que também era físico teórico. Em 1910, aos 72 anos, Van der Waals recebeu o Prêmio Nobel de Física. Ele morreu aos 85 anos em 8 de março de 1923.^[4]

Termodinâmica
A máquina térmica de Carnot clássica
Ramos Clássica Estastística Química Termodinâmica quântica Equilíbrio / Não-equilíbrio
Leis Zero Primeira Segunda Terceira
Sistemas Sistema fechado Sistema aberto Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isoórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quase estático Politrópico Expansão livre Reversibilidade Irreversibilidade Endorreversibilidade Ciclos Máquinas térmicas Bombas de calor Eficiência térmica
Propriedades dos sistemas Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedades Propriedades extensivas e intensivas Funcões de processos Trabalho Calor Funções de estado Temperatura / Entropia (introdução) Pressão / Volume Potencial químico / Número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades dos materiais Bases de dados de propriedades Capacidade térmica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibilidade  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Dilatação térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei dos gases ideais Relações de Maxwell Relações recíprocas de Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre Energia interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpia ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energia livre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energia livre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
História Cultura História Geral Entropia Leis dos gases Máquinas de "movimento perpétuo" Filosofia Entropia e vida Catraca browniana Demônio de Maxwell Paradoxo da morte pelo calor Paradoxo de Loschmidt Sinergética Teorias Teoria calórica Vis viva ("força viva") Equivalente mecânico do calor Força motriz Publicações chave Uma investigação sobre a fonte ... atrito Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas Reflexões sobre a força motriz do fogo Linhas do tempo Termodinâmica Motores térmicos Arte Educação Superfície termodinâmica de Maxwell Entropia como dispersão de energia
Cientistas Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Outros Nucleação Automontagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria

O principal interesse de Van der Waals estava no campo da termodinâmica. Ele foi influenciado pelo tratado de 1857 de Rudolf Clausius intitulado Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (Sobre o Tipo de Movimento que Chamamos de Calor).^[12][13] Van der Waals foi posteriormente muito influenciado pelos escritos de James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann e Willard Gibbs. O trabalho de Clausius levou-o a buscar uma explicação para as experiências de Thomas Andrews que haviam revelado, em 1869, a existência de temperaturas críticas em fluidos.^[14] Ele conseguiu dar uma descrição semiquantitativa dos fenômenos de condensação e temperaturas críticas em sua tese de 1873, intitulada Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (Sobre a continuidade do estado gasoso e líquido).^[15] Esta dissertação representou um marco na física e foi imediatamente reconhecida como tal, por exemplo, por James Clerk Maxwell, que a revisou na Nature de maneira elogiosa.^[16]

Nesta tese, ele derivou a equação de estado que leva seu nome. Este trabalho deu um modelo no qual a fase líquida e a gasosa de uma substância se fundem uma na outra de maneira contínua. Mostra que as duas fases são da mesma natureza. Ao derivar sua equação de estado, Van der Waals assumiu não apenas a existência de moléculas (a existência de átomos era disputada na época), mas também que elas são de tamanho finito e se atraem. Como ele foi um dos primeiros a postular uma força intermolecular, por mais rudimentar que fosse, tal força é agora às vezes chamada de força de van der Waals.^[17]

Uma segunda grande descoberta foi a lei de 1880 dos estados correspondentes, que mostrou que a equação de estado de Van der Waals pode ser expressa como uma função simples da pressão crítica, volume crítico e temperatura crítica. Esta forma geral é aplicável a todas as substâncias (ver Equação de van der Waals.) As constantes específicas do composto a e b na equação original são substituídas por quantidades universais (independentes do composto). Foi esta lei que serviu de guia durante experimentos que levaram à liquefação do hidrogênio por James Dewar em 1898 e do hélio por Heike Kamerlingh Onnes em 1908.^[4]

Em 1890, Van der Waals publicou um tratado sobre a Teoria das Soluções Binárias nos Arquivos Neerlandeses. Relacionando sua equação de estado com a segunda lei da termodinâmica, na forma primeiro proposta por Willard Gibbs, ele foi capaz de chegar a uma representação gráfica de suas formulações matemáticas na forma de uma superfície que chamou de superfície Ψ (Psi), seguindo Gibbs, que usou a letra grega Ψ para a energia livre de um sistema com diferentes fases em equilíbrio.^[4]

Deve-se mencionar também a teoria da capilaridade de Van der Waals, que em sua forma básica apareceu pela primeira vez em 1893.^[18] Em contraste com a perspectiva mecânica sobre o assunto fornecida anteriormente por Pierre-Simon Laplace, Van der Waals adotou uma abordagem termodinâmica. Isso foi controverso na época, uma vez que a existência de moléculas e seu movimento permanente e rápido não eram universalmente aceitos antes da verificação experimental de Jean Baptiste Perrin da explicação teórica de Albert Einstein do movimento browniano.^[19]

Ele se casou com Anna Magdalena Smit em 1865, e o casal teve três filhas (Anne Madeleine, nl, Johanna Diderica) e um filho, o físico nl, que também trabalhou na Universidade de Amsterdã. Jacqueline era uma poetisa de certa nota. O sobrinho de Van der Waals, Peter van der Waals, foi um marceneiro e uma figura de liderança na escola de Sapperton, Gloucestershire do Movimento Arts and Crafts. Sua esposa morreu de tuberculose aos 34 anos em 1881. Depois de ficar viúvo, Van der Waals nunca se casou novamente e ficou tão abalado com a morte de sua esposa que não publicou nada por cerca de uma década. Ele morreu em Amsterdã em 8 de março de 1923, um ano após a morte de sua filha Jacqueline.^[4]

Van der Waals recebeu inúmeras honras e distinções, além de ganhar o Prêmio Nobel de Física de 1910. Foi agraciado com um doutorado honorário da Universidade de Cambridge; foi feito Membro Honorário da Imperial Society of Naturalists of Moscow, da Royal Irish Academy e da American Philosophical Society (1916);^[20] Membro Correspondente do Institut de France e da Royal Academy of Sciences of Berlin; Membro Associado da Royal Academy of Sciences of Belgium; e Membro Estrangeiro da Chemical Society of London, da National Academy of Sciences of the United States (1913),^[21] e da Accademia dei Lincei de Roma. Van der Waals tornou-se membro da Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences em 1875.^[22] De 1896 até 1912, foi secretário desta sociedade. Foi ainda eleito Membro Honorário da Netherlands Chemical Society em 1912.^[23]

O asteroide 32893 van der Waals foi nomeado em sua homenagem.^[24]

• Equação de van der Waals
• Tensão de van der Waals
• Raio de van der Waals
• Força de van der Waals
• Equação de estado de Redlich-Kwong
• Equação de estado de Peng-Robinson

Referências

• Este artigo incorpora material do artigo "Johannes Diderik van der Waals", do Citizendium, que está sob a licença Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported, porém não sob a GFDL.

• Kipnis, A. Ya.; Yavelov, B. E.; Rowlinson, J. S. (trans.): Van der Waals and Molecular Science. (Oxford: Clarendon Press, 1996) ISBN 0-19-855210-6
• Sengers, Johanna Levelt: How Fluids Unmix: Discoveries by the School of Van der Waals and Kamerlingh Onnes. (Amsterdã : Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2002)
• Shachtman, Tom: Absolute Zero and the Conquest of Cold. (Boston: Houghton Mifflin, 1999)
• Van Delft, Dirk: Freezing Physics: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold. (Amsterdã: Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2008)
• Van der Waals, J. D.: Edited and Intro. J. S. Rowlinson: On the Continuity of the Liquid and Gaseous States. (Nova York: Dover Publications, 2004, 320pp)

• Scientists of the Dutch School Van der Waals, Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences
• Albert van Helden Johannes Diderik van der Waals 1837 – 1923 In: K. van Berkel, A. van Helden and L. Palm ed., A History of Science in the Netherlands. Survey, Themes and Reference (Leiden: Brill, 1999) 596 – 598.
• Museum Boerhaave «Negen Nederlandse Nobelprijswinnaars» (PDF). Cópia arquivada (PDF) em 7 de junho de 2011  (2,32 MiB)
• H.A.M. Snelders, Waals Sr., Johannes Diderik van der (1837–1923), in Biografisch Woordenboek van Nederland.
• Biography of Johannes Diderik van der Waals (1837–1923) at the National Library of the Netherlands.