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FísicaBiografía

Van der Waals, Johannes Diderik (1837-1923).

Físico holandés nacido en Leiden (Holanda meridional) el 23 de noviembre de 1837 y fallecido en Amsterdam el 8 de marzo de 1923. Fue galardonado con el Premio Nobel en 1910, "por su trabajo en la ecuación de estado de los gases y los líquidos".

Sus padres, Jacobus van der Waals y Elisabeth van den Burg, le proporcionaron una educación elemental en la escuela pública de su ciudad natal. Al término de esta formación básica, se hizo maestro de escuela y comenzó a impartir clases a niños pequeños, sin dejar por ello de seguir estudiando, pues sentía verdaderos deseos de ampliar sus conocimientos.

Sin embargo, por carecer de conocimientos de latín, se le impidió matricularse oficialmente en la universidad. El joven Johannes Diderik, lejos de perder la motivación, decidió asistir por libre a las clases de Ciencias de algunos célebres profesores de la Universidad de Leiden; y así, entre los años de 1862 y 1865, adquirió todos los conocimientos precisos para recibir un certificado de maestro de enseñanza secundaria, especializado en Física y Matemáticas.

Así las cosas, a finales de 1864 fue contratado como profesor en un centro de bachillerato de Deventer. En el transcurso de aquel mismo año, el futuro Premio Nobel había contraído matrimonio con Anne Madeleine Smit, quien, a pesar de su muerte prematura, llegó a darle tres hijas y un hijo. La mayor, Anne Madeleine, fue quien se ocupó de la casa y del cuidado de su padre y sus hermanos tras el fallecimiento de su madre; la segunda, Jacqueline Elisabeth, fue profesora de historia y alcanzó gran celebridad como poetisa; y la menor, Johanna Diderica, se dedicó también a la docencia, como profesora de inglés. Por su parte, el único hijo varón de Van der Waals, que recibió el mismo nombre que su progenitor, fue también un físico relevante que impartió clases en las universidades de Groningen y Amsterdam (en la última de las cuales sucedió a su padre en la cátedra de Física).

Dos años después de su llegada a la escuela secundaria de Deventer, Van der Waals pasó a otro centro similar de La Haya, en el que fue profesor y director. Por aquel tiempo, la implantación de un nuevo reglamento educativo permitió a los estudiantes acceder a las aulas universitarias aunque no hubiesen recibido previamente una sólida formación en lenguas clásicas, lo que animó a Van der Waals a matricularse en la Universidad de Amsterdam. Allí, en 1873, obtuvo el título de doctor con una tesis titulada Over de Continuïteit van den Gas - en Vloeistoftoestand (Sobre la continuidad de los estados líquido y gaseoso). En ella proponía ya una primera formulación de su afamada "Ecuación de Estado", que comprendía tanto el estado líquido como el gaseoso.

Las novedosas aportaciones que hacía Van der Waals en esta tesis (el descubrimiento de la continuidad de los estados líquido y gaseoso, y la ecuación de estado de los gases reales, en la que se tienen en cuenta las fuerzas intermoleculares) no sólo consiguieron situar de inmediato a su autor entre las figuras cimeras de la Ciencia de su tiempo, sino que también elevaron al holandés -dialecto del neerlandés hablado en los Países Bajos, en el que estaba redactada la tesis del joven científico- a la categoría de lengua científica.

En 1876, merced al prestigio internacional alcanzado con su tesis, Johannes Diderik van der Waals se convirtió en el primer catedrático de Física de la Universidad de Amsterdam, puesto docente en el que se mantuvo hasta la fecha de su jubilación, en 1907.

La segunda gran revelación de Van der Waals tuvo lugar en 1880, cuando el científico de Leiden enunció, tras varios años de investigación, su Teoría molecular de la sustancia compuesta por dos tipos distintos de materia, en la que establecía una serie de fórmulas y ecuaciones con las que, entre otros experimentos, se consiguió licuar el hidrógeno -éxito alcanzado por el británico James Dewar (1842-1923) en 1898- y el helio -licuado por vez primera en 1908, por el holandés Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926)-. Fue éste último científico quien, tras haber sido galardonado con el Premio Nobel en 1913, reconoció la deuda contraída por la Ciencia moderna con Van der Waals, y la ensalzó la importancia de sus logros en el desarrollo de los experimentos llevados a cabo en el célebre Laboratorio Criogénico de Leiden.

A comienzos de la década siguiente (1890), Van der Waals enunció su tercer gran hallazgo: la Teoría de las soluciones binarias. Y tres años más tarde volvió a conmocionar a la comunidad científica internacional con otra aportación deslumbrante: la Teoría termodinámica de la capilaridad (1893).

Doctor honoris causa por la Universidad de Cambridge, Johannes Diderik Van der Waals recibió, a lo largo de su dilatada y fecunda trayectoria científica, otros muchos honores y distinciones, entre los que cabe recordar -además del ya mencionado premio Nobel-, su elección como miembro honorario de la Sociedad Imperial de Naturalistas de Moscú, de la Academia Real Irlandesa y de Sociedad Filosófica Americana. Asimismo, fue nombrado miembro correspondiente del Instituto de Francia, de la Real Academia de Ciencias de Berlín, de la Real Academia de Ciencias de Bélgica, de la Real Sociedad Química de Londres, de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, y de la Accademia dei Lincei (de Roma).

Entre sus obras más notables, sobresale la titulada Sobre la continuidad de los estados líquido y gaseoso (1873).

Los estados líquido y gaseoso

En sus investigaciones sobre los estados líquido y gaseoso de la materia, Waals partió del análisis de la ecuación de estado de los gases perfectos, difundida y dada por válida desde el siglo XVIII. Dicha ecuación -que, como su propio nombre enuncia, sólo se puede aplicar a los gases perfectos o ideales, lo que supone que no es más que una aproximación al auténtico estado de los gases reales-, puede expresarse de la siguiente manera:

PV=nRT,

donde P es la presión del gas, V el volumen ocupado por éste, n el número de moles, R una constante universal y T la temperatura absoluta.

Desde el comienzo de sus investigaciones, Waals advirtió que, a tenor de lo expresado en esta ecuación, las moléculas de gas no ocupan espacio y no se atraen entre sí, suposiciones que, en los gases reales, están muy lejos de cumplirse (ya que en ellos las moléculas ocupan un espacio bien determinado -y distinto según cada clase de gas-, y se atraen unas a otras ligeramente).

El científico de Leiden fue consciente, entonces, de la necesidad de introducir al menos dos términos correctores -uno que corrige el volumen y otro que modifica la presión- en la citada fórmula de la ecuación de estado, y de añadir además otras dos constantes que varían en función del gas al que se aplica. Esta nueva formulación de la ecuación, bautizada, en su honor, como fórmula de Van der Waals, hizo posible, entre otros logros, que Dewar y Kamerlingh-Onnes obtuviesen, respectivamente, hidrógeno y helio en estado líquido (algo muy difícil de conseguir, por tratarse de los dos elementos con el punto de ebullición más bajo).

Van der Waals fue el primero en afirmar que era necesario tener en cuenta el volumen de las moléculas y, sobre todo, la existencia de unas fuerzas intermoleculares (que, a partir de entonces, fueron conocidas como Fuerzas de Van der Waals), originadas por la distribución de cargas positivas y negativas en la molécula. Se trata de pequeñas fuerzas de atracción existentes entre las moléculas de los gases reales, que también pueden detectarse en el estado líquido, y que juegan un papel fundamental en la estabilidad de las estructuras microscópicas integrantes de las células vivas.

Fue así como, en definitiva, elaboró una nueva ecuación de estado de los gases, cuya principal novedad consistía en la introducción de las constantes a y b (a, relacionada con la atracción intermolecular que el científico de Leiden había observado; y b, referida al volumen de las moléculas). Así, dando a a y b los valores adecuados, la fórmula de Van del Waals permite obtener resultados acordes con las observaciones referentes a los gases reales a temperaturas superiores al punto crítico.

Además de este valioso hallazgo sobre el estado de los gases, el físico holandés investigó sobre la disociación electrolítica, sobre la teoría termodinámica de la capilaridad y sobre estática de fluidos.

Autor

  • J. R. Fernández de Cano.