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Van-der-Waals-Zustandsgleichung

1873
  • Johannes Diderik van der Waals
Labor aus dem 19. Jahrhundert mit Van-der-Waals-Gleichung und wissenschaftlichen Instrumenten.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine Zustandsgleichung für ein Fluid, die die ideales Gasgesetz um das Verhalten realer Gase anzunähern. Es führt zwei Parameter ein: ‚a‘ zur Berücksichtigung langreichweitiger intermolekularer Anziehungskräfte (Van-der-Waals-Kräfte) und ‚b‘ für die endliches Volumen von den Gasmolekülen besetzt. Die Gleichung lautet [latex](P + frac{an^2}{V^2})(V – nb) = nRT[/latex].

The Van der Waals equation of state was a groundbreaking development in thermodynamics, providing the first realistic description of real gases and their condensation into liquids. It starts with the ideal Gasgesetz, [latex]PV = nRT[/latex], and applies two crucial corrections. The first correction addresses the volume. In an ideal gas, particles are treated as points with no volume. The Van der Waals equation subtracts a term ‘nb’ from the container volume [latex]V[/latex], where ‘b’ is the volume excluded by a mole of particles. This term, [latex](V – nb)[/latex], represents the actual free volume available for the molecules to move in.

The second, more significant correction accounts for intermolecular attractive forces. These forces reduce the pressure exerted by the gas on the container walls because molecules near the wall are pulled inwards by their neighbors. This reduction in pressure is proportional to the square of the particle density ([latex]n/V[/latex]), leading to the correction term [latex]a(n/V)^2[/latex] which is added to the measured pressure [latex]P[/latex]. The parameter ‘a’ is a measure of the average attraction between particles. By incorporating these two parameters, the equation can successfully model the liquid-gas phase transition and predict the existence of a critical point, above which no distinct liquid and gas phases exist. It was for this work that van der Waals received the Nobel Prize in Physics in 1910.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Thermodynamik

Typ

Mathematisches Modell

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Ideales Gasgesetz (Boyle’s Law, Charles’s Law, Avogadro’s Law)
  • Kinetische Gastheorie, entwickelt von Clausius und Maxwell
  • Frühe Konzepte intermolekularer Kräfte und endlicher Atomgröße

Anwendungen

  • Modellierung realer Gase und deren Abweichung vom Idealverhalten
  • Vorhersage von Flüssig-Dampf-Phasenübergängen und kritischen Punkten
  • thermodynamisch Stoffberechnungen in der Chemieingenieurwissenschaft
  • grundlegendes Modell für komplexere Zustandsgleichungen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Entwicklung fortgeschrittener Zustandsgleichungen für industrielle Hochdruckprozesse
  • KI-gesteuerte Vorhersage des Phasenverhaltens für neuartige chemische Mischungen
  • Echtzeit-Gasleckerkennungssysteme, kalibriert mit nicht-idealen Gasmodellen
  • Simulatoren für Planetenatmosphären unter Einbeziehung realer Gaseffekte
  • Optimierung von überkritischen Fluidextraktionsprozessen
  • Entwurf hocheffizienter Kältekreisläufe unter Verwendung nichtidealer Flüssigkeiten
  • Software zur Modellierung der Gashydratbildung in der Tiefsee
  • Lehrmittel zur Visualisierung von Abweichungen vom idealen Gasverhalten
  • Algorithmen zur Korrektur von Durchflussmesserwerten in Industriepipelines
  • Vorhersagemodelle für Aerosolbildung und -ausbreitung
Verwandt mit: Van-der-Waals-Gleichung, reales Gas, Zustandsgleichung, intermolekulare Kräfte, Molekülvolumen, kritischer Punkt, Thermodynamik, Phasenübergang, Druck, Volumen.

Historischer Kontext

Van-der-Waals-Zustandsgleichung

1865
1868
1870
1873
1877
1880
1882-01-01
1861
1865
1869
1871
1876
1877
1880
1882-01-01

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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