Johannes Diderik van der Waals ( Pronunciación holandesa: [joːˈɦɑnəz ˈdidərɪk fɑn dər ˈʋaːls] ;[nota 1]23 de noviembre de 1837 – 8 de marzo de 1923) fue unfísico teóricoytermodinámicofamoso por su trabajo pionero sobre laecuación de estadopara gases y líquidos. Van der Waals comenzó su carrera como maestro de escuela. Se convirtió en el primerde físicade laUniversidad de ÁmsterdamPremio Nobel de Físicaen 1910por su trabajo sobre laecuación de estadopara gases y líquidos.[2]
Su nombre se asocia principalmente con la ecuación de estado de Van der Waals que describe el comportamiento de los gases y su condensación a la fase líquida . Su nombre también se asocia con las fuerzas de Van der Waals (fuerzas entre moléculas estables ), [3] con las moléculas de Van der Waals (pequeños grupos moleculares unidos por fuerzas de Van der Waals) y con los radios de Van der Waals (tamaños de moléculas). James Clerk Maxwell dijo una vez que "no puede haber duda de que el nombre de Van der Waals pronto estará entre los más importantes de la ciencia molecular ". [4]
En su tesis de 1873, Van der Waals señaló la no idealidad de los gases reales y la atribuyó a la existencia de interacciones intermoleculares . Introdujo la primera ecuación de estado derivada mediante el supuesto de un volumen finito ocupado por las moléculas constituyentes. [5] Encabezada por Ernst Mach y Wilhelm Ostwald , hacia finales del siglo XIX surgió una fuerte corriente filosófica que negaba la existencia de moléculas . La existencia molecular se consideraba no probada y la hipótesis molecular innecesaria. En el momento en que se escribió la tesis de Van der Waals (1873), la estructura molecular de los fluidos no había sido aceptada por la mayoría de los físicos, y el líquido y el vapor a menudo se consideraban como químicamente distintos. Pero el trabajo de Van der Waals afirmó la realidad de las moléculas y permitió una evaluación de su tamaño y fuerza de atracción . Su nueva fórmula revolucionó el estudio de las ecuaciones de estado. Al comparar su ecuación de estado con datos experimentales, Van der Waals pudo obtener estimaciones del tamaño real de las moléculas y la fuerza de su atracción mutua . [6]
El efecto del trabajo de Van der Waals en la física molecular en el siglo XX fue directo y fundamental. [7] Al introducir parámetros que caracterizan el tamaño y la atracción molecular en la construcción de su ecuación de estado , Van der Waals sentó las bases para la ciencia molecular moderna . En la actualidad se considera un axioma que los aspectos moleculares como el tamaño, la forma, la atracción y las interacciones multipolares deben formar la base para las formulaciones matemáticas de las propiedades termodinámicas y de transporte de los fluidos . [8] Con la ayuda de la ecuación de estado de Van der Waals, los parámetros del punto crítico de los gases se podían predecir con precisión a partir de mediciones termodinámicas realizadas a temperaturas mucho más altas. Posteriormente, el nitrógeno , el oxígeno , el hidrógeno y el helio sucumbieron a la licuefacción . Heike Kamerlingh Onnes se vio significativamente influenciado por el trabajo pionero de Van der Waals. En 1908, Onnes se convirtió en el primero en fabricar helio líquido ; esto condujo directamente a su descubrimiento de la superconductividad en 1911. [9]
Johannes Diderik van der Waals nació el 23 de noviembre de 1837 en Leiden , Países Bajos. Fue el mayor de los diez hijos de Jacobus van der Waals y Elisabeth van den Berg. Su padre era carpintero en Leiden. Como era habitual para todas las niñas y niños de la clase trabajadora del siglo XIX, no asistió a la escuela secundaria que le habría dado derecho a ingresar en la universidad. En su lugar, asistió a una escuela de "educación primaria superior", que terminó a la edad de quince años. Luego se convirtió en aprendiz de maestro en una escuela primaria. Entre 1856 y 1861 siguió cursos y obtuvo las calificaciones necesarias para convertirse en maestro de escuela primaria y director.
En 1862, comenzó a asistir a clases de matemáticas, física y astronomía en la universidad de su ciudad natal, aunque no estaba calificado para ser inscrito como estudiante regular en parte debido a su falta de educación en lenguas clásicas . [10] Sin embargo, la Universidad de Leiden tenía una disposición que permitía a los estudiantes externos tomar hasta cuatro cursos al año. En 1863, el gobierno holandés comenzó un nuevo tipo de escuela secundaria (HBS, una escuela dirigida a los niños de las clases medias altas). Van der Waals, en ese momento director de una escuela primaria, quería convertirse en profesor de HBS en matemáticas y física y pasó dos años estudiando en su tiempo libre para los exámenes requeridos.
En 1865 fue nombrado profesor de física en la HBS de Deventer y en 1866 obtuvo un puesto similar en La Haya , que estaba lo suficientemente cerca de Leiden como para permitirle a Van der Waals reanudar sus estudios en la universidad de allí. En septiembre de 1865, justo antes de mudarse a Deventer, Van der Waals se casó con Anna Magdalena Smit, de dieciocho años.
Van der Waals aún carecía de los conocimientos de lenguas clásicas que le hubieran permitido entrar en la universidad como estudiante regular y presentarse a los exámenes. Sin embargo, sucedió que la ley que regulaba el acceso a la universidad fue modificada y el ministro de educación pudo concederle una dispensa del estudio de lenguas clásicas. Van der Waals recibió esta dispensa y aprobó los exámenes de calificación en física y matemáticas para los estudios de doctorado .
El 14 de junio de 1873, en la Universidad de Leiden, defendió su tesis doctoral Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (sobre la continuidad del estado gaseoso y líquido) bajo la dirección de Pieter Rijke . En la tesis, introdujo los conceptos de volumen molecular y atracción molecular. [11]
En septiembre de 1877, Van der Waals fue nombrado primer catedrático de física en la recién fundada Universidad Municipal de Ámsterdam . Dos de sus colegas notables fueron el químico físico Jacobus Henricus van 't Hoff y el biólogo Hugo de Vries . Hasta su jubilación a los 70 años, Van der Waals permaneció en la Universidad de Ámsterdam. Le sucedió su hijo Johannes Diderik van der Waals, Jr., que también era físico teórico. En 1910, a los 72 años, Van der Waals recibió el Premio Nobel de Física. Murió a los 85 años el 8 de marzo de 1923.
El principal interés de Van der Waals estaba en el campo de la termodinámica . Fue influenciado por el tratado de 1857 de Rudolf Clausius titulado Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen ( Sobre la clase de movimiento que llamamos calor ). [12] [13] Van der Waals fue posteriormente muy influenciado por los escritos de James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann y Willard Gibbs . El trabajo de Clausius lo llevó a buscar una explicación de los experimentos de Thomas Andrews que habían revelado, en 1869, la existencia de temperaturas críticas en fluidos. [14] Consiguió dar una descripción semicuantitativa de los fenómenos de condensación y temperaturas críticas en su tesis de 1873, titulada Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (Sobre la continuidad del estado gaseoso y líquido). [15] Esta disertación representó un hito en la física y fue inmediatamente reconocida como tal, por ejemplo, por James Clerk Maxwell, quien la revisó en Nature [16] de manera elogiosa.
En esta tesis dedujo la ecuación de estado que lleva su nombre. Este trabajo proporcionó un modelo en el que la fase líquida y la fase gaseosa de una sustancia se fusionan entre sí de manera continua. Muestra que las dos fases son de la misma naturaleza. Al derivar su ecuación de estado, Van der Waals supuso no solo la existencia de moléculas (la existencia de átomos era discutida en ese momento [17] ), sino también que son de tamaño finito y se atraen entre sí. Dado que fue uno de los primeros en postular una fuerza intermolecular, por rudimentaria que fuera, a dicha fuerza a veces se la llama ahora fuerza de Van der Waals .
Un segundo descubrimiento importante fue la Ley de los Estados Correspondientes de 1880, que demostró que la ecuación de estado de Van der Waals se puede expresar como una función simple de la presión crítica, el volumen crítico y la temperatura crítica. Esta forma general es aplicable a todas las sustancias (véase la ecuación de Van der Waals ). Las constantes específicas del compuesto a y b en la ecuación original se sustituyen por cantidades universales (independientes del compuesto). Fue esta ley la que sirvió de guía durante los experimentos que finalmente llevaron a la licuefacción del hidrógeno por James Dewar en 1898 y del helio por Heike Kamerlingh Onnes en 1908.
En 1890, Van der Waals publicó un tratado sobre la teoría de las soluciones binarias en los Archives Néerlandaises. Al relacionar su ecuación de estado con la segunda ley de la termodinámica , en la forma propuesta por primera vez por Willard Gibbs, pudo llegar a una representación gráfica de sus formulaciones matemáticas en forma de una superficie que denominó superficie Ψ (Psi) siguiendo a Gibbs, quien utilizó la letra griega Ψ para la energía libre de un sistema con diferentes fases en equilibrio.
También cabe mencionar la teoría de la capilaridad de Van der Waals , que en su forma básica apareció por primera vez en 1893. [18] En contraste con la perspectiva mecánica sobre el tema proporcionada anteriormente por Pierre-Simon Laplace , [19] Van der Waals adoptó un enfoque termodinámico. Esto fue controvertido en su momento, ya que la existencia de moléculas y su movimiento permanente y rápido no fueron universalmente aceptados antes de la verificación experimental de Jean Baptiste Perrin de la explicación teórica de Albert Einstein del movimiento browniano .
Se casó con su esposa Anna Magdalena Smit en 1865, y la pareja tuvo tres hijas (Anne Madeleine, Jacqueline E. van der Waals , Johanna Diderica) y un hijo, el físico Johannes Diderik van der Waals, Jr. , que también trabajó en la Universidad de Ámsterdam. Jacqueline fue una poeta de cierta notoriedad. El sobrino de Van der Waals, Peter van der Waals, fue ebanista y una figura destacada de la escuela de Sapperton, Gloucestershire del movimiento Arts and Crafts . Su esposa murió de tuberculosis a los 34 años en 1881. Después de enviudar, Van der Waals nunca se volvió a casar y quedó tan afectado por la muerte de su esposa que no publicó nada durante aproximadamente una década. Murió en Ámsterdam el 8 de marzo de 1923, un año después de que muriera su hija Jacqueline.
Van der Waals recibió numerosos honores y distinciones, además de ganar el Premio Nobel de Física en 1910. Se le concedió un doctorado honorario de la Universidad de Cambridge ; fue nombrado miembro honorario de la Sociedad Imperial de Naturalistas de Moscú , la Real Academia Irlandesa y la Sociedad Filosófica Americana (1916); [20] miembro correspondiente del Instituto de Francia y de la Real Academia de Ciencias de Berlín; miembro asociado de la Real Academia de Ciencias de Bélgica; y miembro extranjero de la Sociedad Química de Londres , la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (1913), [21] y de la Accademia dei Lincei de Roma. Van der Waals se convirtió en miembro de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos en 1875. [22] Desde 1896 hasta 1912, fue secretario de esta sociedad. Además, fue elegido miembro honorario de la Sociedad Química de los Países Bajos en 1912. [23]
El planeta menor 32893 van der Waals lleva su nombre en su honor. [24]
No cabe duda de que el nombre de Van der Waals pronto estará entre los más destacados de la ciencia molecular.
— Observaciones de James Clerk Maxwell en la revista Nature (1873). [4]
Es evidente que en todos mis estudios estuve convencido de la existencia real de las moléculas, que nunca las consideré como producto de mi imaginación, ni siquiera como meros centros de efectos de fuerza. Las consideraba como cuerpos reales, por lo que lo que en el lenguaje cotidiano llamamos "cuerpo" debería llamarse mejor "pseudocuerpo". Es un agregado de cuerpos y espacio vacío. No conocemos la naturaleza de una molécula compuesta por un solo átomo químico. Sería prematuro intentar responder a esta pregunta, pero admitir esta ignorancia en nada afecta la creencia en su existencia real. Cuando comencé mis estudios tenía la sensación de que era casi el único que sostenía esa opinión. Y cuando, como ocurrió ya en mi tratado de 1873, determiné su número en un gramo-mol, su tamaño y la naturaleza de su acción, me reafirmé en mi opinión, pero a menudo surgía en mi interior la pregunta de si, en última instancia, una molécula es un producto de la imaginación y también toda la teoría molecular. Y ahora no creo que sea una exageración afirmar que la existencia real de las moléculas es un hecho universalmente aceptado por los físicos. Muchos de los que más se oponían a ella han acabado por convencerse, y mi teoría puede haber sido un factor contribuyente. Y precisamente esto, creo, es un paso adelante. Cualquiera que conozca los escritos de Boltzmann y Willard Gibbs admitirá que los físicos con gran autoridad creen que los complejos fenómenos de la teoría del calor sólo pueden interpretarse de esta manera. Es un gran placer para mí que un número cada vez mayor de físicos jóvenes encuentren la inspiración para su trabajo en los estudios y reflexiones sobre la teoría molecular...
— Notas de Johannes D. van der Waals en la Conferencia Nobel , La ecuación de estado para gases y líquidos (12 de diciembre de 1910).
