O seu nome está primariamente associado à equação de van der Waals, uma equação de estado que descreve o comportamento dos gases e sua condensação para a fase líquida. O seu nome também está associado com as forças de van der Waals (forças entre moléculas estáveis), com moléculas de van der Waals (pequenos aglomerados moleculares ligados por forças de van der Waals), e com o raio de van der Waals (tamanho das moléculas). James Clerk Maxwell certa vez disse que "não há dúvida de que o nome de Van der Waals estará em breve entre os principais na ciência molecular".
Em sua tese de 1873, Van der Waals notou a não idealidade dos gases reais e atribuiu isso à existência de interações intermoleculares. Ele introduziu a primeira equação de estado derivada pela suposição de um volume finito ocupado pelas moléculas constituintes. Liderada por Ernst Mach e Wilhelm Ostwald, uma forte corrente filosófica que negava a existência de moléculas surgiu no final do século XIX. A existência molecular era considerada não comprovada e a hipótese molecular desnecessária. Na época em que a tese de Van der Waals foi escrita (1873), a estrutura molecular dos fluidos não havia sido aceita pela maioria dos físicos, e líquido e vapor eram frequentemente considerados quimicamente distintos. Mas o trabalho de Van der Waals afirmou a realidade das moléculas e permitiu uma avaliação de seu tamanho e força atrativa. A sua nova fórmula revolucionou o estudo das equações de estado. Ao comparar sua equação de estado com dados experimentais, Van der Waals foi capaz de obter estimativas para o tamanho real das moléculas e a força de sua atração mútua.
O efeito do trabalho de Van der Waals na física molecular do século XX foi direto e fundamental. Ao introduzir parâmetros caracterizando o tamanho e a atração molecular na construção de sua equação de estado, Van der Waals estabeleceu o tom para a ciência molecular moderna. É considerado atualmente um axioma que aspetos moleculares como tamanho, forma, atração e interações multipolares devam formar a base para formulações matemáticas das propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos. Com a ajuda da equação de estado de Van der Waals, os parâmetros do ponto crítico dos gases poderiam ser previstos com precisão a partir de medições termodinâmicas feitas em temperaturas muito mais altas. Nitrogénio, oxigénio, hidrogénio e hélio subsequentemente sucumbiram à liquefação. Heike Kamerlingh Onnes foi significativamente influenciado pelo trabalho pioneiro de Van der Waals. Em 1908, Onnes foi o primeiro a obter hélio líquido; isso levou diretamente à sua descoberta de 1911 da supercondutividade.
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