100 знаменитых ученых

Как мы уже отмечали, поступить в университет Ван-дер-Ваальс не мог. Но с 1862 по 1865 год он на правах вольного слушателя посещал Лейденский университет, где изучал математику, физику, астрономию. Параллельно Йоханнес готовился к еще одному экзамену – на должность преподавателя так называемых повышенных гражданских школ, недавно открытых в Голландии. Он превосходно сдал экзамены и теперь мог преподавать физику и математику в повышенных школах. Уже 21 сентября 1864 года, после первого экзамена, Ван-дер-Ваальса утвердили в должности преподавателя физики повышенной гражданской школы города Девентера.

Через неделю после утверждения в должности в жизни Йоханнеса Ван-дер-Ваальса произошло еще одно радостное событие: он женился на восемнадцатилетней Анне Магдалене Смит. Анна, как и Йоханнес, происходила из простой семьи, ее отец был столяром, а мать шляпницей. Брак был очень счастливым. Анна подарила мужу четверых детей: трех девочек и мальчика.

Проработав год в Девентере, Ван-дер-Ваальс получил предложение от одной из школ Гааги. Уже через год после переезда в Гаагу он занял должность директора школы. Казалось бы, человек, не имевший университетского образования, на большее рассчитывать и не мог. Но вскоре университетские правила в Нидерландах несколько изменились: студенты были освобождены от обязательного предварительного классического образования. К этому времени Ван-дер-Ваальс уже имел серьезные собственные научные разработки и идеи. 14 июня 1873 года в Лейдене он защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояния». Мы рассмотрим эту работу несколько подробней (насколько это возможно в рамках нашего небольшого очерка), но при этом сделаем небольшое отступление, рассказав о том, от чего отталкивался в своих рассуждениях голландский ученый.

В 1820 году английский ученый Джон Герпат представил Лондонскому королевскому обществу работу, содержащую основы кинетической теории газов. В то время на его статью внимания не обратили. Причиной тому во многом было несовершенство теории и незавершенность многих идей, изложенных в работе. Позже, в 1840-х годах, Герпат изрядно пересмотрел свои теоретические выкладки и изложил их в 1847 году в объемном труде «Математическая физика». В частности, он теоретически вывел закон состояния идеального газа, ранее полученный на основе экспериментальных данных Бойля, Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Авогадро. Согласно этому закону, произведение давления идеального газа на его объем пропорционально абсолютной температуре. Герпат в своих расчетах отталкивался от модели газа, молекулы которого как бы представляют собой упругие шарики. Непосредственным толчком к работе Ван-дер-Ваальса стало знакомство со статьей немецкого ученого Рудольфа Клаузиуса, который также является одним из основоположников кинетической теории газов.

Как мы видим из названия, закон состояния, выведенный Герпатом и его предшественниками-практиками, описывал соотношение между параметрами «идеального» газа. Идеальным газом называют модель, в которой не учитываются силы взаимодействия между молекулами. Такая модель достаточно точно описывает разряженные реальные газы, находящиеся при температуре, далекой от их конденсации. Ван-дер-Ваальс решился на попытку математически описать поведение реальных газов и жидкостей, модернизировав уравнение состояния. Он указал на два основных фактора, которые присущи реальным газам и жидкостям, но не учитываются уравнением Герпата. Во-первых, между молекулами веществ существуют силы притяжения. В разреженных газах эти силы пренебрежимо малы, ибо они убывают с расстоянием. Но в газах, находящихся в ином состоянии, а тем более в жидкостях, эти силы заставляют молекулы сближаться, вызывая эффект, аналогичный происходящему при увеличении давления. Этот эффект в газах увеличивается при уменьшении их объема, а, следовательно, «добавка» к давлению (или «внутреннее давление» в терминологии Ван-дер-Ваальса) должна быть обратно пропорциональна какой-то степени объема. Во-вторых, уравнение состояния идеального газа не учитывает размер молекул: идеальный газ как бы состоит из точечных молекул. На самом деле, при расчете объема следует учитывать собственный объем молекул. Таким образом, взяв за основу уравнение состояния идеального газа, Ван-дер-Ваальс модернизировал его до уравнения состояния реального газа, которое сейчас носит его имя.