VAN DER WAALS FORCES DE
Le physicien néerlandais Johannes Diderik Van der Waals (1837-1923) eut un parcours universitaire si atypique qu’il ne put passer son doctorat qu’à l’âge de trente-six ans, en 1873. Sa thèse intitulée De la continuité des états liquides et gazeux est vite remarquée par de nombreux physiciens, dont le très influent James Clerk Maxwell (1831-1879). Elle permet à Van der Waals d’acquérir une soudaine notoriété, rapidement traduite par son admission à l’Académie royale néerlandaise et sa nomination comme « premier professeur » de physique à l’université d’Amsterdam. Ce travail contient en effet plusieurs résultats nouveaux très importants, notamment une nouvelle équation d’état des gaz et la mise en évidence de nouvelles forces entre les molécules, auxquelles sera désormais attaché le nom du physicien néerlandais.
Après de nombreuses expériences sur le comportement des gaz, les savants des xviie et xviiie siècles avaient énoncé de nombreuses « lois » qu’Émile Clapeyron (1799-1864) résuma en 1832 par la fameuse équation des gaz parfaits reliant la pression (p), la température (T), le volume (V) et la quantité de matière (n) : pV = nRT, R étant une constante, égale à 8,31 dans les unités habituelles. Le caractère approximatif de cette loi restreint son application à certains gaz et ne permet pas de décrire les effets des hautes pressions ou des températures élevées. En tenant compte du fait que les molécules occupent un volume quasiment incompressible et qu’elles interagissent entre elles par des forces attractives, Van der Waals modifie l’équation d’état en la suivante :
(p + p0)(V – nb) = nRT
où p0 = an2/V2 est une pression additionnelle qui résulte des forces intermoléculaires et b est le volume occupé par une mole (6,022 × 1023 atomes ou molécules) ; a et b sont des constantes qui dépendent du type de gaz étudié. Cette « équation d’état de Van der Waals » explique non seulement la transition entre l’état gazeux et l’état liquide mais exprime aussi la continuité de l’état fluide.
Les forces intermoléculaires introduites dans cette équation constituent un exemple de ce que l’on appelle désormais les « forces de Van der Waals ». Elles résultent des interactions électriques résiduelles entre les atomes et des molécules pourtant dépourvus de charge électrique, mais contenant des composants chargés. Elles sont faibles et attractives, et décroissent rapidement lorsque la distance mutuelle croît, l’énergie potentielle variant comme l’inverse de la sixième puissance de la distance.
Van der Waals recevra le prix Nobel de physique en 1910 pour ses études sur l’état physique des liquides et des gaz, recherches poursuivies pendant toute sa carrière, dans la continuité de ses résultats de 1873.
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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