•  

    Tego dnia, w 23 listopada, w 1837 roku, urodził się Johannes Diderik van der Waals, laureat Nagrody Nobla z fizyki z 1910 roku. Geniusz, którego pasja dla nauki była silniejsza niż życiowe przeciwności

    Urodził się w Lejdzie - mieście w zachodniej Holandii jako najstarszy z dziesięciorga dzieci, w rodzinie robotniczej - jego ojciec był stolarzem. Z powodu swojego pochodzenia edukacje zakończył na szkole podstawowej i rozpoczął pracę jako stażysta w szkole. Potem ukończył wymagane kursy i zdobył kwalifikacje nauczycielskie. Jako, że nie miał szkoły drugiego stopnia i tym samym potwierdzonej znajomości języków klasycznych nie mógł zdawać egzaminów na studia. Postanowił jednak uczęszczać na wykłady z matematyki i fizyki jako wolny słuchacz, a po wprowadzeniu nowego typu szkoły średniej zdał wymagane egzaminy by móc nauczać w niej tych przedmiotów. Kiedy zmieniono zasady przyjęć na studia doktoranckie, umożliwiając przystąpienie do egzaminów bez znajomości języków klasycznych, van der Waals dostał się i w 1873 obronił doktorat, który niemal natychmiast wprowadził go do czołowych fizyków tamtych czasów. Jeden z najwybitniejszych ówczesnych naukowców, szkocki fizyk i matematyk, James Clerk Maxwell recenzując pracę van der Waalsa napisał w "Nature" z niespotykanym zazwyczaj w nauce entuzjazmem, że „nie ma wątpliwości, że nazwisko Van der Waalsa wkrótce stanie się jedną z najważniejszych w nauce molekularnej”. (Czy dzisiaj takie słowa uznanego profesora o nieznanym mu świeżym doktorze z innej uczelni i państwa byłby możliwe? Wydaje mi się, że mało prawdopodobne) Uważa się, że wyłącznie osiągnięcia naukowe zawarte w pracy doktorskiej były wystarczające do otrzymania przez niego Nagrody Nobla, 37 lat później.

    Jak to się stało, że tak szybko dokonał tak ważnego wkładu do nauki, nie kończąc przecież wcześniej studiów, tylko w wolnym czasie, po pracy w szkole, chodząc na wykłady? Na pewno ważnym czynnikiem był fakt, że dokładnie wiedział co go interesuje znacznie wcześniej (zanim w ogóle zmieniono regulacje pozwalające mu na doktorat). Wiedział jaki problem jest ważny zainspirowany pracami Rudolfa Clausiusa (urodzonego w Koszalinie pioniera nowoczesnej termodynamiki, który wprowadził definicję entropii) oraz eksperymentami T. Andrewsa, który wprowadził pojęcie temperatury krytycznej.

    Temperatura krytyczna to temperatura powyżej której zanika różnica gęstości między stanem gazowym a ciekłym danej substancji, a w związku z tym niemożliwe jest skroplenie gazu pomimo wzrostu ciśnienia. Mówi się, że taka substancja znajduje się w stanie nadkrytycznym Jedne gazy, jak np. chlor, chlorowodór, dwutlenek węgla, mogą być skroplone już w zwykłej temperaturze przez odpowiednie zwiększenie ciśnienia. Inne muszą być uprzednio mniej lub więcej oziębione. Jak to wyjaśnił Andrews (1869), dla każdego gazu istnieje określona temperatura, powyżej której skroplenie w ogóle nie może być dokonane. Temperatura ta, zwana temperaturą krytyczną, jest więc najwyższą temperaturą, w której dana substancja może istnieć w stanie ciekłym. Ciśnienie wystarczające do skroplenia gazu w jego temperaturze krytycznej nosi nazwę ciśnienia krytycznego. Badania Andrewsa wyjaśniły przyczynę licznych dawniejszych niepowodzeń podczas prób skroplenia tzw. ,,gazów trwałych” (obok tlenu i azotu należały do nich: wodór, tlenek węgla, metan i niektóre inne). Przyczyna ta polegała na trudności osiągnięcia ich temperatur krytycznych, leżących bardzo nisko. (źródło)

    Zainspirowany pracami Clausiusa i eksperymentami Andrewsa w swojej pracy pt. "O ciągłości stanu gazowego i płynnego" Van der Waalsa dostrzegł konieczność uwzględnienia objętości cząsteczek i sił międzycząsteczkowych w ustalaniu związków między ciśnieniem, objętością i temperatura gazów i cieczy. Wyprowadził w niej równanie oraz pojęcia, którym szybko nadano nazwy pochodzące od jego nazwiska: równanie van der Waalsa, promień van der Waalsa, objętość van der Waalsa czy oddziaływania van der Waalsa. Równanie to jest rozszerzeniem równania stanu gazu idealnego (równanie Clapeyrona), van der Waals wprowadził poprawkę uwzględniającą objętość cząsteczek gazu oraz oddziaływanie wzajemne cząsteczek gazu. To, że każdą substancję możemy skroplić, jest dowodem że między atomami i cząsteczkami występują przyciągające oddziaływania. Przykładem takiego przyciągania jest oddziaływanie występujące między atomami gazów szlachetnych, które umożliwia ich kondensację. Ten rodzaj oddziaływania nosi nazwę sił van der Waalsa i jest to jedyny rodzaj przyciągania między atomami gazów szlachetnych i między cząsteczkami niepolarnymi. (Trochę bardziej szczegółowo: własności gazów rzeczywistych bliskie są własnościom gazu doskonałego przy dostatecznie małych ciśnieniach i wystarczająco wysokich temperaturach. Jeśli warunki te nie są spełnione, to równanie stanu gazu doskonałego nie opisuje poprawnie własności gazów rzeczywistych. Przy opisie mikroskopowych własności gazu doskonałego zakłada się, że cząsteczki gazu zajmują znikomą objętość, a ich oddziaływania sprowadzają się do zderzeń sprężystych. W rzeczywistości, objętość dostępna dla ruchu cząsteczek jest pomniejszona, bowiem nie mogą one zbliżać się do siebie na odległość mniejszą niż wynosi średnica cząsteczki i nie mogą zbliżyć się do ścianek na odległość mniejszą od ich promienia. Ciśnienie także jest wynikiem nie tylko sprężystych i natychmiastowych zderzeń cząsteczek, ale również rezultatem ich wzajemnych oddziaływań. Objętość dostępna dla ruchu cząsteczek jest zatem pomniejszona w stosunku do objętości gazu doskonałego, a ciśnienie - powiększone. Efekty te zostały uwzględnione w równaniu van der Waalsa w postaci dodatkowych członów, które dodaje się do ciśnienia i odejmuje od objętości) Równanie van der Waalsa stanowi na ogół bardzo dobre przybliżenie równania stanu gazów rzeczywistych, szczególnie dla dużych ciśnień i w warunkach temperatury i ciśnienia zbliżonych do parametrów skraplania gazu i powyżej)

    Trzy lata po obronie doktoratu przez van der Waalsa powstał Uniwersytet Amsterdamski (wcześniejszej instytucji nadano takie prawa), a on dzięki uznaniu w naukowym środowisku został jego pierwszym profesorem fizyki. Dołączyli do niego Jakub van' t Hoff - wybitny chemik, późniejszy laureat Nagrody Nobla z tej dziedziny i Hugo Marie de Vries – holenderski botanik i genetyk, który rozpoczął badania nad dziedzicznością i zmiennością oraz powstawaniem nowych ras i gatunków w procesie ewolucji. Obaj przynieśli niemal w krótkim czasie wielką sławę tej nowej uczelni i sprawili, że stała się celem wielu zdolnych studentów i uczonych w Europie. [Czasem się zastanawiam czy gdyby nie było rozbiorów i jakimś cudem taka Skłodowska dostała Nobla (mogąc studiować i pracować na polskiej uczelni) np. na UW to czy zmieniłoby to znacznie obraz polskiej nauki poprzez zainteresowanie i przybycie innych naukowców. Zresztą było wielu naukowych noblistów urodzonych na terenie obecnej czy II RP, którzy nie mieli warunków w polskich zaborach na rozwój uciekli na Zachód)

    Wracając jednak do jubilata... to słynne równanie nie było jedynym wielkim osiągnięciem van der Waalsa na polu naukowym. Drugie wielkie odkrycie - dokonane po bardzo żmudnej pracy - zostało opublikowane w 1880 r kiedy to opisał zasadę stanów odpowiadających sobie (znaną też jako teoria stanów odpowiadających sobie). Jest to twierdzenie, że dwa różne płyny są w tym samym stanie fizycznym w charakterystycznych dla nich punktach krytycznych oraz w punktach jednakowo oddalonych od punktu krytycznego; miarą tego oddalenia są wartości zredukowanych parametrów stanu układu nazywanych również pseudozredukowanymi. To prawo służyło jako przewodnik podczas eksperymentów, które ostatecznie doprowadziły do upłynnienia wodoru przez J. Dewara w 1898 r. i helu przez H. Kamerlingha Onnesa w 1908 r. Ten ostatni, który w 1913 r. Otrzymał Nagrodę Nobla za badania właściwości substancji w najniższych temperaturach i skroplenie helu, napisał „że badania Van der Waalsa zawsze były uważane za magiczną różdżkę do przeprowadzania eksperymentów oraz, że laboratorium kriogeniczne w Lejdzie rozwinęło się pod wpływem jego teorii”.

    To nie koniec wielkich osiągnięć van der Waalsa bo dziesięć lat później połączył swoje słynne równanie z II zasadą termodynamiki co również przyniosło mu spore uznanie w świecie nauki, a miał też inne ważne osiągnięcia. Oprócz Nobla otrzymał najwyższe zaszczyty naukowe od Moskwy przez Włochy, Francję, Belgię, Anglię i USA. Jako, że jego żona umarła dość szybko mógł więcej czasu poświęcić na swoje pasje czyli długie, czasami wielodniowe wędrówki po kraju i ... czytanie, rzecz jasna ;)

    Może na koniec jeszcze dwa polskie wątki pośrednio związane z van der Waalsem, a bez pośrednio z jego pracami. Znany Wam pewnie fakt: w 1883 dwóch profesorów UJ, Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski, dokonało pierwszych na świecie skropleń tlenu i azotu. W 1930 roku urodzony we Wrocławiu Niemiec Fritz London zbudował teorie (opisanych przez van der Waalsa) oddziaływań pomiędzy atomami gazów szlachetnych z użyciem mechaniki kwantowej. Pisze się, że miał szanse na Nobla gdyby pożył dłużej, ale jako Żyd uciekł w 1939 do USA i dostał obywatelstwo także kolejny Nobel powędrowałby na ich konto.

    Na zdjęciu Johannes Diderik van der Waals (z brodą po prawej) w swoim laboratorium

    (poprawki mile widziane)

    #nauka #fizyka #ciekawostki #gruparatowaniapoziomu

    Pozostałe źródła:
    https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1910/waals/biographical/
    https://pl.wikipedia.org/wiki/Johannes_Diderik_van_der_Waals
    https://www.britannica.com/science/van-der-Waals-forces
    http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/plg/w-fiz/w14/segment1/main.htm
    https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/015/07/0584-0587
    https://pl.wikipedia.org/wiki/R%C3%B3wnanie_van_der_Waalsa
    https://m.tau.ac.il/~tsirel/dump/Static/knowino.org/wiki/Johannes_Diderik_van_der_Waals.html
    http://ecosphere.pl/skraplanie-gazow/
    http://chemia.wpt.kpswjg.pl/semestr1/temat8/temat8.html
    https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals_force

    źródło: van der waals.jpg