ВАН-ДЕР-ВААЛЬС Йоханнес Дидерик

ВАН-ДЕР-ВААЛЬС Йоханнес Дидерик

ВАН-ДЕР-ВА́АЛЬС (van der Waals) Йоханнес Дидерик (1837—1923), нидерландский физик. Вывел уравнение состояния для реальных газов (уравнение Ван-дер-Ваальса). Нобелевская премия (1910).
* * *
ВАН-ДЕР-ВА́АЛЬС (van der Waals) Йоханнес Дидерик (23 ноября 1837, Лейден — 9 марта 1923, Амстердам), нидерландский физик, один из пионеров молекулярно-кинетической теории, член Нидерландской и Парижской академии наук, лауреат Нобелевской премии 1910.
Долгий и трудный путь в науку
Первое упоминание о предках Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса в хрониках города Лейдена относится к началу 17 в. Все они были трудолюбивыми ремесленниками. Сам будущий прославленный нидерландский ученый был одним из 10 детей плотника Якобуса. Патриархальный, основанный на прочно устоявшихся традициях уклад семьи сыграл в жизни Ван-дер-Ваальса заметную роль: именно это способствовало воспитанию в нем исключительного и даже, порой, самоотверженного трудолюбия, глубокой религиозности, дисциплины, неизменно высокой требовательности к себе, упорства в движении к цели и преданности делу. Но были и минусы: родители не имели возможности дать сыну гимназического образования, что впоследствии, из-за незнания классических языков, надолго закрыло ему дорогу в университет.
В голландских школах лучшие ученики назначались «ученическими учителями»; одним из них стал и 15-летний Ван-дер-Ваальс, и это можно считать началом его длительной педагогической деятельности.
В 1860 после непростого экзамена он получает «акт», удостоверяющий его квалификацию учителя, а через год получает должность директора начальной вечерней школы в Гааге.
Но стремление учиться в университете не оставляет молодого преподавателя, и хотя незнание латыни и греческого продолжает оставаться препятствием, он в 1862 начинает как вольнослушатель изучать в Лейденском университете математику. Одновременно он приступает к преподаванию математики и механики в школе и усиленно готовится к акт-экзамену на должность преподавателя недавно организованных в Голландии ПГШ (повышенных гражданских школ).
20 июля 1864 и 12 августа 1865, сдав все экзамены (с таким блеском, что память об этом сохранилась надолго), Ван-дер-Ваальс удостаивается актов на право преподавания математики и физики.
Вскоре в его жизни происходят важные события: 21 сентября он был утвержден в должности преподавателя физики в ПГШ в Девентере, а еще через неделю женился на давно и нежно им любимой восемнадцатилетней Анне Магдалене Смит, дочери столяра и шляпницы.
Главный труд жизни
Чтобы оценить значение научного труда Ван-дер-Ваальса, нужно вспомнить, что если сам факт существования атомов уже признавался многими физиками, то более или менее отчетливое представление о том, что эти атомы собой представляют, еще не сложилось.
Правда, ряд важных шагов в формировании молекулярно-кинетических представлений уже был сделан — так, в 1759 Джеймс Клерк Максвелл (см. МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк) установил статистический закон распределения молекул по скоростям, довольно далеко была продвинута термодинамика, уже обсуждался вопрос о соотношениях между описывающими состояние сред величинами.
В числе таких уравнений состояния, как их принято называть, наиболее просто выглядят уравнения состояния идеальных газов: произведение давления P на объем газа V пропорционально абсолютной температуре Е. Этот закон был ранее установлен опытным путем (законы Бойля—Мариотта (см. БОЙЛЯ-МАРИОТТА ЗАКОН), Гей-Люссака (см. ГЕЙ-ЛЮССАКА ЗАКОНЫ), Шарля (см. ШАРЛЯ ЗАКОН), Авогадро (см. АВОГАДРО ЗАКОН)), а в 1847 был получен Джоном Герпатом (1790—1868) на базе модели газа из молекул — упругих шариков. Название «идеальные» подчеркивает, что реально в природе таких газов не существует, что это — лишь приближение, но очень привлекательное хотя бы уже своей простотой.
Ван-дер-Ваальса увлекла идея о возможности единого описания как жидкостей, так и газов. Ведь действительно, одно и то же вещество может, в зависимости от физических условий, в первую очередь, от температуры и давления, быть и жидким, и газообразным. Но это означает, что и уравнение состояния нужно модернизировать таким образом, чтобы оно смогло описывать оба этих агрегатных состояния и переходы между ними.
Если отправляться от уравнения состояния идеального газа, то, в первую очередь, следует установить: каких важных факторов, присущих реальным газам, оно не учитывает? Ван-дер-Ваальс прежде всего подчеркнул два таких фактора.
Первое: не учитывается сила притяжения между молекулами. Если в газе, тем более в разреженном, где молекулы находятся друг от друга на значительных расстояниях, эти силы (а они убывают с расстоянием) не играют существенной роли, то в жидкостях эта роль заведомо важна. Но если «включить» притяжение между молекулами, то это заставляет их сближаться, т. е. вызывает такой же эффект, как если бы увеличилось давление. И это сказывается тем сильнее, чем ближе молекулы друг к другу, т. е. чем меньше занимаемый газом объем. Из этих рассуждений следует, что добавка к давлению должна быть обратно пропорциональна некоторой степени объема. Какой именно? Если учитывать лишь парные взаимодействия между молекулами (а они действительно играют доминирующую роль), то второй. Таким образом, напрашивается замена: [Формула].
Второе: молекулы вовсе не являются точечными, так что следует учитывать занимаемый ими собственный объем, вычитая его из всего объема газа. Это приводит еще к одной замене [Формула].
Таким образом, уравнение, которое для одного моля идеального газа записывалось в виде [Формула], Ван-дер-Ваальс предложил заменить уравнением (p+a/V_m ²)(V_m — b) = RT, где: R — газовая постоянная, a и b — экспериментальные константы, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального газа (см. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ).
Постоянные a и b в уравнении Ван-дер-Ваальса стали предметом многочисленных дальнейших исследований, и в первую очередь, самого Ван-дер-Ваальса. Но здесь следует обратить внимание на качественную сторону вопроса. Как известно из алгебры, кубическое уравнение (а уравнение Ван-дер-Ваальса дает как раз кубическую зависимость между объемом и давлением при фиксированной температуре) имеет не больше трех действительных корней. Это значит, что при некоторых температурах и давлениях объем может принимать одно из трех значений. Одно из них соответствует жидкой фазе, другое — газу (третье — неустойчивому переходному состоянию).
Но так бывает не всегда: существует температура (она называется критической) при которой все три корня уравнения сливаются в один.
Если температура выше критической, вещество — газ, никакие давления не вызовут его ожижения. Приведем примеры абсолютных (т. е. отсчитываемых от абсолютного нуля, равного –273 °С) критических температур для некоторых веществ: для гелия 5,19, для водорода 33,24, для азота 126,25, для кислорода 190,66, для воды 647,3, для ртути 1460 °С.
Этому замечательному следствию из уравнения Ван-дер-Ваальса нетрудно дать естественное истолкование с «микроскопической» точки зрения. По мере сближения молекул энергия их притяжения возрастает, но не беспредельно, затем начинается отталкивание, и если кинетическая энергия теплового движения молекул больше максимального значения энергии их притяжения, то никакое сжатие не превратит газ в жидкость.
Все эти положения, которые кажутся сегодня и понятными, и убедительными, далеко не сразу были приняты и оценены. Даже сам Максвелл (см. МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк), который познакомился с работой Ван-дер-Ваальса (не упустив при этом повода написать прославившуюся фразу, что эта работа «...определенно направила внимание исследователей на изучение голландского языка...»), отзывался о ней довольно сдержанно. (Нужно, однако, признать, что само внимание Максвелла к работе Ван-дер-Ваальса способствовало ее популяризации).
Но положительные оценки работы решительно преобладали, и 14 июня 1873 ее автор с блеском защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояния».
Через два года, 4 мая 1875, появилось сообщение, что скромный гаагский учитель Ван-дер-Ваальс, заслуживший известность всего лишь одной научной работой, был провозглашен действительным членом Физико-математического отделения Амстердамской Академии наук.
Это избрание изменило многое в жизни и в работе ученого. Появилось много новых обязанностей, и ко всем им Ван-дер-Ваальс неизменно относится с предельной добросовестностью и аккуратностью. Когда в октябре 1877 началось его преподавание в Амстердамском университете, педагогическую работу профессора неизменно отличали эти же черты.
Профессор Ван-дер-Ваальс
Не только в Голландии, но и за ее пределами имя Ван-дер-Ваальса приобретало все более широкую известность. Это скоро сказалось и на его положении. В сентябре 1877 он стал профессором на кафедре незадолго до этого возникшего Амстердамского университета.
По-видимому, его тянуло в родной Лейден, но там кафедра в университете была предоставлена 26-летнему Хендрику Антону Лоренцу (см. ЛОРЕНЦ Хендрик Антон), и Ван-дер-Ваальс был приглашен в Лейден только в 1878. Правда, условия для экспериментальной работы там были далеко не блестящие, но в 1882 для его кафедры был выстроен новый корпус, включавший даже аудиторию на 140 человек, а в 1891 — еще и химическая лаборатория. В 1890 Ван-дер-Ваальс дал общее уравнение для бинарных двухфазных смесей. Он внес также существенный вклад в термодинамическую теорию капиллярности.
Педагогическая нагрузка профессора Ван-дер-Ваальса была очень велика. Не менее 11 часов в неделю он тратил на чтение лекций (многие из которых были оригинальными и нередко направлялись позже в печать; одним из результатов такой работы явился двухтомный «Курс термодинамики», над которым Ван-дер-Ваальс трудился много лет), на семинарские занятия, на консультации и экзамены (экзаменатором он был строгим, и обычно около половины студентов получали двойки и ходили на пересдачи много раз).
Может быть, некоторым студентам он мог показаться даже суровым педантом, но, как написал впоследствии один из его ближайших учеников, «Он мог быть душевным и добрым утешителем, как отец».
Заслуженная известность
Вряд ли нужно говорить, что человека склада Ван-дер-Ваальса не могли изменить слава и признание. Он продолжает много работать. В круг его интересов вовлекаются теория смесей, проблемы тройных систем. То, как высоко ценили его коллеги, видно хотя бы по его избранию в 1896 секретарем Физико-математического отделения и непременным секретарем Амстердамской Академии наук.
В конце декабря 1881 сорокачетырехлетнего профессора и всю его семью постигло тяжелое горе — от туберкулеза скончалась Анна Магдалина, жена Ван-дер-Ваальса и мать трех дочерей и одного сына (который впоследствии пошел по стопам отца). От этого ужасного удара, несмотря на трогательную заботу и поддержку детей, Ван-дер-Ваальс так и не оправился до конца жизни. Довольно долго он даже не мог работать, и только стремление откликнуться на просьбы коллег, в частности, желание помочь Х. Камерлинг-Оннесу (см. КАМЕРЛИНГ-ОННЕС Хейке) (1853—1926), смогло вновь вернуть его к физике.
За труды по теории агрегатных состояний различных сред в 1910 Ван-дер-Ваальсу была присуждена Нобелевская премия.
До самой своей кончины Ван-дер-Ваальс оставался классиком в высшем смысле этого слова — безгранично преданным науке, ее самоотверженным служителем.