Йоханнес ван дер Ваальс: Газдар мен сұйықтар теориясының негізін қалаушысы
Johannes Diderik van der Waals
Йоханнес ван дер Ваальс – голланд физигі, газ және сұйықтар күйінің теңдеуімен танымал. 1910 ж. Нобель сыйлығының иегері, термодинамикаға үлкен үлес қосты.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Голланд физигі және термодинамигі (1837–1923)
Dutch physicist and thermodynamicist (1837–1923)
Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс (; 23 қараша 1837 – 8 наурыз 1923) – газдар мен сұйықтықтардың күй теңдеуі саласындағы пионерлік жұмысымен танымал голланд теориялық физигі және термодинамигі. Ван дер Ваальс мансабын мектеп мұғалімі ретінде бастаған. 1877 жылы ескі Афинеум Муниципалдық университетке қайта құрылғанда Амстердам университетінің алғашқы физика профессоры болды. Ван дер Ваальс газдар мен сұйықтықтардың күй теңдеуі бойынша жұмысы үшін 1910 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Оның есімі, ең алдымен, газдардың мінез-құлқы мен олардың сұйық фазаға конденсациясын сипаттайтын Ван дер Ваальс күй теңдеуімен байланысты. Оның есімі сондай-ақ Ван дер Ваальс күштерімен (тұрақты молекулалар арасындағы күштер), Ван дер Ваальс молекулаларымен (Ван дер Ваальс күштерімен байланысқан кішкентай молекулалық кластерлер) және Ван дер Ваальс радиустарымен (молекулалардың мөлшері) байланысты. Джеймс Клерк Максвелл бір кезде: «Ван дер Ваальстың есімі молекулалық ғылымның алдың қатарлы ғалымдарының қатарында боларына еш күмән жоқ» деген еді. 1873 жылғы диссертациясында Ван дер Ваальс нақты газдардың идеалдық еместігін атап өтті және оны молекулалық өзара әрекеттесулердің болуымен байланыстырды. Ол құрамындағы молекулалар белгілі бір көлемді алатыны туралы болжамға негізделген алғашқы күй теңдеуін енгізді. Эрнст Мах және Вильгельм Оствальд бастаған молекулалардың бар екенін жоққа шығаратын күшті философиялық ағым 19 ғасырдың соңында пайда болды. Молекулалық болмыс дәлелденбеген және молекулалық гипотеза қажетсіз деп есептелді. Ван дер Ваальстың диссертациясы жазылған кезде (1873) сұйықтықтардың молекулалық құрылымы көптеген физиктер тарапынан қабылданбаған, ал сұйық және бу көбінесе химиялық жағынан ерекше деп саналған. Бірақ Ван дер Ваальстың жұмысы молекулалардың нақты бар екенін растады және олардың мөлшері мен тартымдылығын бағалауға мүмкіндік берді. Оның жаңа формуласы күй теңдеулерін зерттеуде революция жасады. Ван дер Ваальс өзінің күй теңдеуін эксперименттік деректермен салыстыра отырып, молекулалардың нақты мөлшері мен олардың өзара тартылу күшін анықтай алды. Ван дер Ваальстың молекулалық физикаға 20 ғасырдағы әсері тікелей және маңызды болды. Ван дер Ваальс өзінің күй теңдеуін құрастыруда молекулалық мөлшерін және тартымдылығын сипаттайтын параметрлерді енгізу арқылы қазіргі заманғы молекулалық ғылымның негізін қалады. Молекулалық сипаттамалар, мысалы, мөлшері, пішіні, тартымдылығы және көп полюсті өзара әрекеттесулер сұйықтықтардың термодинамикалық және тасымалдау қасиеттерінің математикалық формулаларын құрудың негізін құруы керек, қазіргі уақытта аксиома ретінде қарастырылады. Ван дер Ваальс күй теңдеуінің көмегімен газдардың сындық нүкте параметрлерін әлдеқайда жоғары температурада жүргізілген термодинамикалық өлшемдерден дәл болжауға болады. Азот, оттегі, сутегі және гелий кейіннен сұйықтануға ұшырады. Хайке Камерлинг Оннес Ван дер Ваальстың пионерлік жұмысына зор ықпал етті. 1908 жылы Оннес алғаш рет сұйық гелийді жасады, бұл тікелей 1911 жылы оның суперөткізгіштікті ашуына әкелді.
Johannes Diderik van der Waals (; 23 November 1837 – 8 March 1923) was a Dutch theoretical physicist and thermodynamicist famous for his pioneering work on the equation of state for gases and liquids. Van der Waals started his career as a schoolteacher. He became the first physics professor of the University of Amsterdam when in 1877 the old Athenaeum was upgraded to Municipal University. Van der Waals won the 1910 Nobel Prize in physics for his work on the equation of state for gases and liquids. His name is primarily associated with the Van der Waals equation of state that describes the behavior of gases and their condensation to the liquid phase. His name is also associated with Van der Waals forces (forces between stable molecules), with Van der Waals molecules (small molecular clusters bound by Van der Waals forces), and with Van der Waals radii (sizes of molecules). James Clerk Maxwell once said that, "there can be no doubt that the name of Van der Waals will soon be among the foremost in molecular science." In his 1873 thesis, Van der Waals noted the non ideality of real gases and attributed it to the existence of intermolecular interactions. He introduced the first equation of state derived by the assumption of a finite volume occupied by the constituent molecules. Spearheaded by Ernst Mach and Wilhelm Ostwald, a strong philosophical current that denied the existence of molecules arose towards the end of the 19th century. The molecular existence was considered unproven and the molecular hypothesis unnecessary. At the time Van der Waals's thesis was written (1873), the molecular structure of fluids had not been accepted by most physicists, and liquid and vapor were often considered as chemically distinct. But Van der Waals's work affirmed the reality of molecules and allowed an assessment of their size and attractive strength. His new formula revolutionized the study of equations of state. By comparing his equation of state with experimental data, Van der Waals was able to obtain estimates for the actual size of molecules and the strength of their mutual attraction. The effect of Van der Waals's work on molecular physics in the 20th century was direct and fundamental. By introducing parameters characterizing molecular size and attraction in constructing his equation of state, Van der Waals set the tone for modern molecular science. That molecular aspects such as size, shape, attraction, and multipolar interactions should form the basis for mathematical formulations of the thermodynamic and transport properties of fluids is presently considered an axiom. With the help of the Van der Waals's equation of state, the critical point parameters of gases could be accurately predicted from thermodynamic measurements made at much higher temperatures. Nitrogen, oxygen, hydrogen, and helium subsequently succumbed to liquefaction. Heike Kamerlingh Onnes was significantly influenced by the pioneering work of Van der Waals. In 1908, Onnes became the first to make liquid helium; this led directly to his 1911 discovery of superconductivity.
Алғашқы жылдар және білім
Иоганн Дидерик ван дер Ваальс 1837 жылы 23 қарашада Нидерландының Лейден қаласында дүниеге келген. Ол Якоб ван дер Ваальс пен Элизабет ван ден Бергтің он баласының ең үлкені болды. Оның әкесі Лейденде ағаш шеберлігімен айналысты. 19-ғасырдағы қыздар мен жұмысшы табының ұлдарына тән болғандай, ол университетке түсуге мүмкіндік беретін орта мектепке бармады. Оның орнына ол "күрделендірілген бастауыш білім беретін" мектепке қатысты, оны он бес жасында бітірді. Содан кейін ол бастауыш мектепте мұғалімнің шәкірті болды. 1856-1861 жылдары ол курстарға қатысып, бастауыш сынып мұғалімі және мектеп директоры болу үшін қажетті біліктілікті алды. 1862 жылы ол туған қаласындағы университетте математика, физика және астрономия пәндерінен дәрістер тыңдады, бірақ классикалық тілдердегі білімінің жетіспеуіне байланысты тұрақты студент ретінде қабылдануға құқығы болмады. Алайда Лейден университетінде сырттан келетін студенттерге жылына төрт курсқа дейін қатысуға рұқсат беретін ереже болды. 1863 жылы Нидерланды үкіметі жаңа типтегі орта мектепті (HBS, жоғары орта таптың балаларына бағытталған мектеп) ашты. Ван дер Ваальс – сол кезде бастауыш мектеп директоры – математика және физика пәнінен HBS мұғалімі болуды қалап, екі жыл бойы бос уақытында қажетті емтиханға дайындалды. 1865 жылы ол Девентердегі HBS физика мұғалімі болып тағайындалды, ал 1866 жылы Гаагада осындай қызметке ие болды, бұл Ван дер Ваальске Лейдендегі университеттегі курстарын қайта бастауға мүмкіндік берді. 1865 жылдың қыркүйегінде, Девентерге көшуге аздай қалғанда, Ван дер Ваальс он сегіз жасар Анна Магдалена Смитпен үйленді.
Johannes Diderik van der Waals was born on 23 November 1837 in Leiden in the Netherlands. He was the eldest of ten children born to Jacobus van der Waals and Elisabeth van den Berg. His father was a carpenter in Leiden. As was usual for all girls and working class boys in the 19th century, he did not go to the kind of secondary school that would have given him the right to enter university. Instead he went to a school of “advanced primary education”, which he finished at the age of fifteen. He then became a teacher's apprentice in an elementary school. Between 1856 and 1861 he followed courses and gained the necessary qualifications to become a primary school teacher and head teacher. In 1862, he began to attend lectures in mathematics, physics and astronomy at the university in his city of birth, although he was not qualified to be enrolled as a regular student in part because of his lack of education in classical languages. However, Leiden University had a provision that enabled outside students to take up to four courses a year. In 1863 the Dutch government started a new kind of secondary school (HBS, a school aiming at the children of the higher middle classes). Van der Waals—at that time head of an elementary school—wanted to become a HBS teacher in mathematics and physics and spent two years studying in his spare time for the required examinations. In 1865, he was appointed as a physics teacher at the HBS in Deventer and in 1866, he received such a position in The Hague, which was close enough to Leiden to allow Van der Waals to resume his courses at the university there. In September 1865, just before moving to Deventer, Van der Waals married the eighteen year old Anna Magdalena Smit.
Профессорлық қызмет
Ван дер Ваальс әлі де классикалық тілдерді білмейтін, бұл оған университетке қалыпты студент ретінде түсуге және емтихан тапсыруға құқық бермейтін. Алайда, университетке қабылдауды реттейтін заң өзгертілді және білім министрі классикалық тілдерді оқудан босатуға мүмкіндік берді. Ван дер Ваальс осы босатуды алып, докторлық диссертацияға физика және математикадан қабілеттілік емтихандарын тапсырды. 1873 жылдың 14 маусымында Лейден университетінде Питер Рике басшылығымен «Газ және сұйық күйдің үздіксіздігі туралы» (Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand) тақырыбында докторлық диссертациясын қорғады. Диссертациясында ол молекулалық көлем және молекулалық тартымдылық ұғымдарын енгізді. 1877 жылдың қыркүйегінде Ван дер Ваальс жаңадан құрылған Амстердам қалалық университетінің алғашқы физика профессоры болып тағайындалды. Оның екі белгілі әріптесі – физикалық химик Якоб Хенрикус ван ’т Хофф және биолог Гюго де Врис болды. 70 жасқа толғанға дейін Ван дер Ваальс Амстердам университетінде жұмыс істеді. Оның орнын ұлы Иоганнес Дидерик ван дер Ваальс кіші, сондай-ақ теориялық физик, басты. 1910 жылы 72 жасында Ван дер Ваальс физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Ол 1923 жылдың 8 наурызында 85 жасында дүние салды.
Van der Waals still lacked the knowledge of the classical languages that would have given him the right to enter university as a regular student and to take examinations. However, it so happened that the law regulating the university entrance was changed and dispensation from the study of classical languages could be given by the minister of education. Van der Waals was given this dispensation and passed the qualification exams in physics and mathematics for doctoral studies. At Leiden University, on June 14, 1873, he defended his doctoral thesis Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand (on the continuity of the gaseous and liquid state) under Pieter Rijke. In the thesis, he introduced the concepts of molecular volume and molecular attraction. In September 1877, Van der Waals was appointed the first professor of physics at the newly founded Municipal University of Amsterdam. Two of his notable colleagues were the physical chemist Jacobus Henricus van 't Hoff and the biologist Hugo de Vries. Until his retirement at the age of 70, Van der Waals remained at the Amsterdam University. He was succeeded by his son Johannes Diderik van der Waals, Jr., who also was a theoretical physicist. In 1910, at the age of 72, Van der Waals was awarded the Nobel Prize in physics. He died at the age of 85 on March 8, 1923.
Ғылыми жұмыс
Ван дер Вальстың негізгі қызығушылығы термодинамика саласында болды. Ол Рудольф Клаузийдің 1857 жылы жарық көрген «Біз жылу деп атайтын қозғалыстың мәні туралы» (Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen) атты еңбегімен әсерленді. Кейіннен Ван дер Вальске Джеймс Клерк Максвелл, Людвиг Больцман және Виллард Гиббстің еңбектері зор ықпал етті. Клаузийдің жұмысы оны 1869 жылы Томас Эндрюстің сұйықтардағы сындық температураның бар екенін көрсеткен тәжірибелерін түсіндіруге жетеледі. Ол конденсация және сындық температура құбылыстарын жартылай сандық тұрғыдан сипаттауға қол жеткізді. 1873 жылы «Газ және сұйық күйдің үздіксіздігі туралы» (Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand) тақырыбында диссертация қорғады. Бұл диссертация физикадағы маңызды жетістік саналды және бірден мойындалды, мысалы, Джеймс Клерк Максвелл оны «Табиғат» журналында жоғары бағалап шолу жасады. Осы диссертациясында ол өзінің атымен аталатын күй теңдеуін шығарды. Бұл жұмыс заттың сұйық және газ фазаларының бір-бірімен үздіксіз бірігуін көрсететін модель ұсынды. Ол екі фазаның да бірдей табиғатта екенін көрсетті. Ван дер Ваальс өзінің күй теңдеуін шығару барысында молекулалардың ғана емес (сол кезде атомдардың бар екендігі күмәнді болды), сонымен қатар олардың шекті мөлшерде екенін және бір-бірін тартатынын болжады. Ол молекулааралық күшті алғашқылардың бірі ретінде постулаттағандықтан, мұндай күш кейде Ван дер Ваальс күші деп аталады. Екінші маңызды жаңалық – 1880 жылғы Сәйкес Күйлер Заңы болды, ол Ван дер Ваальс күй теңдеуін сындық қысым, сындық көлем және сындық температураның қарапайым функциясы ретінде беруге болатынын көрсетті. Бұл жалпы формула барлық заттарға қолданылады (Ван дер Ваальс теңдеуін қараңыз). Бастапқы теңдеудегі a және b сипаттамалық тұрақтылары әмбебап (затқа тәуелсіз) шамалармен алмастырылады. Осы заң Джеймс Дьюардың 1898 жылы сутекті және Хейке Камерлинг Оннесдің 1908 жылы гелийді сұйытуға әкелген тәжірибелерде бағыт-бағдар берді. 1890 жылы Ван дер Ваальс «Екілік ерітінділер теориясы» туралы трактатын Нидерланд архивінде жариялады. Өзінің күй теңдеуін Виллард Гиббс алғаш ұсынған формадағы Термодинамиканың екінші заңымен байланыстыра отырып, ол математикалық формулаларын графикалық түрде көрсетуге қол жеткізді, оны Гиббстің үлгісімен Ψ (Пси) бет деп атады, ол әртүрлі фазалары тепе-теңдікте болатын жүйенің еркін энергиясы үшін грек әрпін қолданды. Сондай-ақ, Ван дер Ваальстың капиллярлық теориясы туралы айту керек, ол алғаш рет 1893 жылы негізгі түрінде пайда болды. Пьер Симон Лапластың бұл мәселеге қатысты механикалық көзқарасынан өзгеше, Ван дер Ваальс термодинамикалық тәсіл қолданды. Бұл сол кезде даулы болды, өйткені молекулалардың бар екендігі және олардың тұрақты, жылдам қозғалысы Жан Батист Перриннің Альберт Эйнштейннің Браун қозғалысының теориялық түсіндірмесін тәжірибелік тұрғыдан тексеруіне дейін жалпыға бірдей қабылданбады.
The main interest of Van der Waals was in the field of thermodynamics. He was influenced by Rudolf Clausius's 1857 treatise entitled Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (On the Kind of Motion which we Call Heat). Van der Waals was later greatly influenced by the writings of James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, and Willard Gibbs. Clausius's work led him to look for an explanation of Thomas Andrews's experiments that had revealed, in 1869, the existence of critical temperatures in fluids. He managed to give a semi quantitative description of the phenomena of condensation and critical temperatures in his 1873 thesis, entitled Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand (On the continuity of the gas and liquid state). This dissertation represented a hallmark in physics and was immediately recognized as such, e. g. by James Clerk Maxwell who reviewed it in Nature in a laudatory manner. In this thesis he derived the equation of state bearing his name. This work gave a model in which the liquid and the gas phase of a substance merge into each other in a continuous manner. It shows that the two phases are of the same nature. In deriving his equation of state Van der Waals assumed not only the existence of molecules (the existence of atoms was disputed at the time), but also that they are of finite size and attract each other. Since he was one of the first to postulate an intermolecular force, however rudimentary, such a force is now sometimes called a Van der Waals force. A second major discovery was the 1880 the Law of Corresponding States, which showed that the Van der Waals equation of state can be expressed as a simple function of the critical pressure, critical volume, and critical temperature. This general form is applicable to all substances (see Van der Waals equation.) The compound specific constants a and b in the original equation are replaced by universal (compound independent) quantities. It was this law which served as a guide during experiments which ultimately led to the liquefaction of hydrogen by James Dewar in 1898 and of helium by Heike Kamerlingh Onnes in 1908. In 1890, Van der Waals published a treatise on the Theory of Binary Solutions in the Archives Néerlandaises. By relating his equation of state with the Second Law of Thermodynamics, in the form first proposed by Willard Gibbs, he was able to arrive at a graphical representation of his mathematical formulations in the form of a surface which he called Ψ (Psi) surface following Gibbs, who used the Greek letter Ψ for the free energy of a system with different phases in equilibrium. Mention should also be made of Van der Waals's theory of capillarity, which in its basic form first appeared in 1893. In contrast to the mechanical perspective on the subject provided earlier by Pierre Simon Laplace, Van der Waals took a thermodynamic approach. This was controversial at the time, since the existence of molecules and their permanent, rapid motion were not universally accepted before Jean Baptiste Perrin's experimental verification of Albert Einstein's theoretical explanation of Brownian motion.
Жеке өмір
Ол 1865 жылы Анна Магдалена Смитпен үйленді. Олардың үш қызы болды (Анна Мадлен, Жаклин Э. ван дер Ваальс, Йоханна Дидерика) және физик Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс, кіші, ол да Амстердам университетінде жұмыс істеді. Жаклин белгілі бір деңгейдегі ақын болды. Ван дер Ваальстың туысы Питер ван дер Ваальс жиһаз жасаушы және Глостерширдегі Саппертон қаласындағы Өнер және қолөнер қозғалысының жетекші тұлғасы еді. Оның әйелі 1881 жылы 34 жасында туберкулезден қайтыс болды. Әйелінен айырылғаннан кейін Ван дер Ваальс қайтадан үйленбеді және әйесінің өлімінен қатты күйзеліске ұшырап, шамамен он жыл бойы ештеңе жарияламады. Ол 1923 жылдың 8 наурызында Амстердамда қайтыс болды, бұл оның қызы Жаклиннің қайтыс болғаннан бір жыл өткен соң болды.
He married his wife Anna Magdalena Smit in 1865, and the couple had three daughters (Anne Madeleine, Jacqueline E. van der Waals [nl], Johanna Diderica) and one son, the physicist Johannes Diderik van der Waals, Jr. [nl], who also worked at the University of Amsterdam. Jacqueline was a poet of some note. Van der Waals's nephew Peter van der Waals was a cabinet maker and a leading figure in the Sapperton, Gloucestershire school of the Arts and Crafts movement. His wife died of tuberculosis at 34 years old in 1881. After becoming a widower Van der Waals never remarried and was so shaken by the death of his wife that he did not publish anything for about a decade. He died in Amsterdam on March 8, 1923, one year after his daughter Jacqueline had died.
Құрметтер
Ван дер Ваальс 1910 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алумен қатар, көптеген құрметтер мен марапаттарға ие болды. Ол Кембридж университетінің құрметті докторлық дәрежесімен марапатталды; Мәскеу Императорлық табиғаттанушылар қоғамының, Корольдік Ирландия академиясының және Америка философиялық қоғамының (1916) құрметті мүшесі, Франция институтының және Берлин Корольдік ғылым академиясының корреспондент мүшесі, Бельгия Корольдік ғылым академиясының серіктес мүшесі, Лондон Химия қоғамының, АҚШ Ұлттық ғылым академиясының (1913) және Римнің Accademia dei Lincei шетелдік мүшесі болып сайланды. Ван дер Ваальс 1875 жылы Нидерланды Корольдік өнер және ғылым академиясының мүшесі болды және 1896 жылдан 1912 жылға дейін осы қоғамның хатшысы қызметін атқарды. Сонымен қатар, ол 1912 жылы Нидерланд Химия қоғамының құрметті мүшесі болып сайланды. Оның құрметіне 32893 ван дер Ваальс астероиді аталды.
Van der Waals received numerous honors and distinctions, besides winning the 1910 Nobel Prize in Physics. He was awarded an honorary doctorate of the University of Cambridge; was made Honorary Member of the Imperial Society of Naturalists of Moscow, the Royal Irish Academy, and the American Philosophical Society (1916); Corresponding Member of the Institut de France and the Royal Academy of Sciences of Berlin; Associate Member of the Royal Academy of Sciences of Belgium; and Foreign Member of the Chemical Society of London, the National Academy of Sciences of the United States (1913), and of the Accademia dei Lincei of Rome. Van der Waals became a member of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences in 1875. From 1896 until 1912, he was secretary of this society. He was furthermore elected as Honorary Member of the Netherlands Chemical Society in 1912. Minor planet 32893 van der Waals is named in his honor.