Johannes Diderik van der Waals

Johannes Diderik van der Waals ()pronunciación holandesa: [jonguaje] ()escucha); 23 de noviembre de 1837 – 8 de marzo de 1923) fue un físico teórico holandés y termodinámico famoso por su trabajo pionero en la ecuación de estado para gases y líquidos. Van der Waals comenzó su carrera como profesor de escuela. Se convirtió en el primer profesor de física de la Universidad de Amsterdam cuando en 1877 el viejo Athenaeum fue actualizado a la Universidad Municipal. Van der Waals ganó el Premio Nobel de Física de 1910 por su trabajo en la ecuación de estado para gases y líquidos.

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 está asociado con las fuerzas de Van der Waals (fuerzas entre moléculas estables), 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 las moléculas). Como dijo James Clerk Maxwell, "no cabe duda de que el nombre de Van der Waals pronto estará entre los más destacados en la ciencia molecular".

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 de la suposición de un volumen finito ocupado por las moléculas constituyentes. Encabezada por Ernst Mach y Wilhelm Ostwald, a finales del siglo XIX surgió una fuerte corriente filosófica que negaba la existencia de las moléculas. La existencia molecular se consideró no probada y la hipótesis molecular innecesaria. En el momento en que se escribió la tesis de Van der Waals (1873), la mayoría de los físicos no habían aceptado la estructura molecular de los fluidos, y el líquido y el vapor a menudo se consideraban 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.

El efecto del trabajo de Van der Waals sobre la física molecular en el siglo XX fue directo y fundamental. Al introducir parámetros que caracterizan el tamaño molecular y la atracción en la construcción de su ecuación de estado, Van der Waals marcó la pauta para la ciencia molecular moderna. Actualmente se considera un axioma que aspectos moleculares como el tamaño, la forma, la atracción y las interacciones multipolares deben formar la base de las formulaciones matemáticas de las propiedades termodinámicas y de transporte de los fluidos. Con la ayuda de la ecuación de estado de Van der Waals, los parámetros del punto crítico de los gases podrían predecirse 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 estuvo significativamente influenciada por el trabajo pionero de Van der Waals. En 1908, Onnes se convirtió en el primero en producir helio líquido; esto lo llevó directamente a su descubrimiento de la superconductividad en 1911.

Biografía

Primeros años y educación

Johannes Diderik van der Waals nació el 23 de noviembre de 1837 en Leiden, Países Bajos. Era el mayor de diez hijos de Jacobus van der Waals y Elisabeth van den Berg. Su padre era carpintero en Leiden. Como era habitual en todas las niñas y niños de la clase trabajadora en el siglo XIX, él no fue al tipo de escuela secundaria que le hubiera dado derecho a ingresar a la universidad. En cambio, fue 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 matricularse como estudiante regular en parte debido a su falta de educación en lenguas clásicas. 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 inició 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 matemáticas y física de HBS y pasó dos años estudiando en su tiempo libre para los exámenes requeridos.

En 1865, fue nombrado profesor de física en la HBS en Deventer y en 1866 recibió ese puesto en La Haya, que estaba lo suficientemente cerca de Leiden como para permitir que Van der Waals reanudara sus cursos en la universidad allí.. En septiembre de 1865, justo antes de mudarse a Deventer, Van der Waals se casó con Anna Magdalena Smit, de dieciocho años.

Profesor

Van der Waals todavía carecía del conocimiento de las lenguas clásicas que le habrían dado derecho a ingresar a la universidad como estudiante regular ya tomar exámenes. Sin embargo, sucedió que se cambió la ley que regulaba el ingreso a la universidad y el ministro de educación podía dispensar el estudio de lenguas clásicas. Van der Waals recibió esta dispensa y aprobó los exámenes de calificación en física y matemáticas para estudios de doctorado.

En la Universidad de Leiden, el 14 de junio de 1873, 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.

En septiembre de 1877, Van der Waals fue nombrado primer profesor 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 la edad de 70 años, Van der Waals permaneció en la Universidad de Amsterdam. Le sucedió su hijo Johannes Diderik van der Waals, Jr., quien también era físico teórico. En 1910, a la edad de 72 años, Van der Waals recibió el Premio Nobel de física. Murió a la edad de 85 años el 8 de marzo de 1923.

Trabajo científico

El principal interés de Van der Waals estaba en el campo de la termodinámica. Fue influenciado por el tratado de Rudolf Clausius de 1857 titulado Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (Sobre el tipo de movimiento que llamamos calor). Más tarde, Van der Waals estuvo muy influenciado por los escritos de James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann y Willard Gibbs. El trabajo de Clausius lo llevó a buscar una explicación a los experimentos de Thomas Andrews que habían revelado, en 1869, la existencia de temperaturas críticas en los fluidos. 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). Esta disertación representó un sello distintivo en física y fue inmediatamente reconocida como tal, p. por James Clerk Maxwell, quien lo revisó en Nature de manera elogiosa.

En esta tesis derivó la ecuación de estado que lleva su nombre. Este trabajo dio un modelo en el que las fases líquida y 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 asumió no solo la existencia de moléculas (en ese momento se discutía la existencia de átomos), sino también que son de tamaño finito y se atraen entre sí. Dado que fue uno de los primeros en postular una fuerza intermolecular, aunque sea rudimentaria, tal fuerza ahora a veces se llama 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 (consulte la ecuación de Van der Waals). Las constantes específicas del compuesto a y b en la ecuación original se reemplazan por constantes universales (independientes del compuesto).) cantidades. Fue esta ley la que sirvió como guía durante los experimentos que finalmente condujeron 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 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 a la que llamó superficie Ψ (Psi) siguiendo Gibbs, quien utilizó la letra griega Ψ para la energía libre de un sistema con diferentes fases en equilibrio.

También se debe mencionar la teoría de la capilaridad de Van der Waals, que en su forma básica apareció por primera vez en 1893. En contraste con la perspectiva mecánica sobre el tema proporcionada anteriormente por Pierre-Simon Laplace, Van der Waals tomó un enfoque termodinámico. Esto fue controvertido en ese momento, ya que la existencia de moléculas y su movimiento rápido y permanente no eran aceptados universalmente antes de la verificación experimental de Jean Baptiste Perrin de la explicación teórica del movimiento browniano de Albert Einstein.

Vida personal

Se casó con su esposa Anna Magdalena Smit en 1865 y la pareja tuvo tres hijas (Anne Madeleine, Jacqueline E. van der Waals [nl], Johanna Diderica) y un hijo, el físico Johannes Diderik van der Waals, Jr. [nl], que también trabajó en la Universidad de Amsterdam. Jacqueline fue una poeta de cierta nota. El sobrino de Van der Waals, Peter van der Waals, era un ebanista y una figura destacada en el movimiento de la escuela de Artes y Oficios de Sapperton, Gloucestershire. Su esposa murió de tuberculosis a los 34 años en 1881. Después de enviudar, Van der Waals nunca se volvió a casar y estaba tan conmocionado por la muerte de su esposa que no publicó nada durante aproximadamente una década. Murió en Amsterdam el 8 de marzo de 1923, un año después de la muerte de su hija Jacqueline.

Honores

Van der Waals recibió numerosos honores y distinciones, además de ganar el Premio Nobel de Física en 1910. Recibió un doctorado honoris causa 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 Estadounidense (1916); Miembro Correspondiente del Institut de France 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), 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. Desde 1896 hasta 1912, fue secretario de esta sociedad. Además, fue elegido miembro honorario de la Sociedad Química de los Países Bajos en 1912.

El planeta menor 32893 van der Waals recibe su nombre en su honor.

Citas relacionadas

No cabe duda de que el nombre de Van der Waals pronto será uno de los más destacados de la ciencia molecular,

—Los comentarios de James Clerk Maxwell en Naturaleza revista (1873).

Será perfectamente claro que en todos mis estudios estaba bastante convencido de la existencia real de las moléculas, que nunca las consideré como una higuera de mi imaginación, ni siquiera como meros centros de efectos de fuerza. Consideré que son los cuerpos reales, por lo que lo que llamamos "cuerpo" en el discurso diario debe ser mejor llamado "cuerpo pseudo". Es un conjunto de cuerpos y espacio vacío. No conocemos la naturaleza de una molécula que consiste en un solo átomo químico. Sería prematuro tratar de responder a esta pregunta pero admitir esta ignorancia de ninguna manera perjudica la creencia en su existencia real. Cuando empecé mis estudios tuve la sensación de que estaba casi sola en sostener esa vista. Y cuando, como ya ocurrió en mi tratado de 1873, decidí su número en un gram-mol, su tamaño y la naturaleza de su acción, me fortalecí en mi opinión, pero aún así se me ocurrió a menudo la pregunta de si en el análisis final una molécula es una imagen de la imaginación y toda la teoría molecular también. Y ahora no creo que sea exagerada afirmar que la existencia real de moléculas es asumido universalmente por los físicos. Muchos de los que más se opusieron han sido ganados, y mi teoría puede haber sido un factor contribuyente. Y precisamente esto, siento, es un paso adelante. Cualquiera que conozca los escritos de Boltzmann y Willard Gibbs admitirá que los físicos con gran autoridad creen que los fenómenos complejos de la teoría del calor sólo pueden ser interpretados de esta manera. Es un gran placer para mí que un creciente número de físicos jóvenes encuentre la inspiración para su trabajo en estudios y contemplaciones de la teoría molecular...

—Las notas de Johannes D. van der Waals en Conferencia Nobel, La ecuación de estado para gases y líquidos (12 de diciembre de 1910).