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title: "气体怎样变成液体，又怎样失去分界"
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last_modified: "2026-10-24"
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[从气体追问原子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/#gases)

热 · 偶然 · 集体行为

# 气体怎样变成液体，又怎样失去分界

要解释凝结，理想气体图景还缺什么？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：1910-1

## 密封管里的液面会消失

一根密封管，下半截是液态二氧化碳，上半截是蒸气。沿着合适的条件慢慢加热，那条清楚的液面会越来越难分辨，最后消失。物质仍然留在管里，只是液体与蒸气逐渐变得相似，分隔它们的表面走到了终点。这就是临界点附近的景象。Thomas Andrews 在 1869 年发表了对此的细致研究。

理想气体的图景画不出这样的液面。那里只有不断飞行、撞向器壁的点状分子；温度不变时，压得越紧，压强就平滑上升。这幅图很适合稀薄气体，因为分子大多数时候相隔很远。可一群分子为什么能紧紧聚在一起，成为一滴液体，还需要别的物理。

来源：[1] [2]

## 分子既占地方，也会相互吸引

van der Waals 在 1873 年的博士论文里，把气体与液体看成同一种分子的两种聚集方式。他保留分子的热运动，补上两件事：分子本身占地方；分子之间还有吸引。

可以先想象一个正要撞墙的分子。它身后的分子把它往回拉，撞墙时传过去的动量便可能小于理想气体估算。气体很稀时，这一点拉力影响不大；分子挤得近了，吸引就能帮助它们聚成密集的一团。

但分子也挤不进同一个位置。容器已经很拥挤时，再压掉一点空间会越来越困难。这两种修正方向不同：吸引有利于聚集，占据空间则抵抗过分压缩。再加上不断打散聚集的热运动，气体和液体便有可能出现在同一套近似描述中。

来源：[2]

## 压活塞时，蒸气可以一点点变成液体

温度低于临界温度时，缓慢压缩蒸气，会有液体出现。此后继续压活塞，体积减少的主要原因，是更多蒸气变成了较密的液体。只要两相仍在平衡共存，温度保持不变，压强就停在相应的饱和值。活塞移动了不少，压强却几乎不变。

直接画出的 van der Waals 曲线，在这一区间会弯出一个回环。其中一段甚至预言，流体膨胀时压强反而升高，这样的均匀状态无法稳定保持。真正的平衡状态要换成一段水平的气液共存线，让两相同样有利；通常用 Maxwell 等面积作图来选这条线。

沿着共存线升温，液体与蒸气的密度差越来越小，到临界点归零。超过这个温度，再用力压，也不会穿过清楚的气液分界。绕过临界点，就能把液态与气态连续接起来。

二氧化碳的临界温度接近摄氏三十一度，比温暖房间再高一点。超过它，单加压便找不回一条清楚的气液表面；要让两相分开，降温同样要紧。Andrews 的测量把这个区别摆到了眼前，凝结理论也必须同时容纳温度与压强的影响。

来源：[1] [2] [3]

## 临界点把问题带向更大的尺度

这套理论让气体与液体的联系变得可以理解，也成为 1910 年物理学奖表彰的贡献。少数几个材料参数，便把复杂的分子作用压缩成了一幅可计算的图景。

临界点附近还有更热闹的事：一大片流体会一起变密，另一片又一起变稀，变化的范围可以远大于分子间距，还会强烈散射光。简单平均周围环境的办法，难以算准这些细节。为什么不同物质到了临界点却显得相似，就需要进一步研究大大小小的涨落，后来 Wilson 的工作从这里接了下去。

来源：[4] [5]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [先看稀薄气体的情况](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ideal-gas/)

保持温度，逐步减小体积。

理想气体模型展示稀薄极限下，分子运动怎样决定压强。

## 来源与阅读说明

1. [Thomas Andrews, On the Continuity of the Gaseous and Liquid States of Matter (1869)](https://doi.org/10.1098/rstl.1869.0021)

   沿二氧化碳等温线阅读，观察气液分界怎样在临界点附近消失。

2. [J. D. van der Waals, The Equation of State for Gases and Liquids (Nobel lecture, 1910)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/waals-lecture.pdf)

   先读分子体积与吸引的两项修正，再读近似与实际结果的差别。

3. [J. Clerk Maxwell, On the Dynamical Evidence of the Molecular Constitution of Bodies, Nature 11, 357–359 (1875)](https://doi.org/10.1038/011357a0)

   找出气液共存的作图条件，理解为什么平衡路径要替换不稳定曲线。

4. [The Nobel Prize in Physics 1910](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1910/summary/)

   分清 1873 年的理论与 1910 年状态方程授奖。

5. [Kenneth G. Wilson, The Renormalization Group and Critical Phenomena (Nobel lecture, 1982)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/wilson-lecture-2.pdf)

   读多种尺度上的涨落，理解临界点附近为什么不能只用均匀环境来近似。

[热、偶然与集体行为](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/) [多出来的一点重量，让氩露了面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/rayleigh-argon-density/) [Perrin 数着那些迟迟不沉底的小颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/perrin-sedimentation/) [Bridgman 怎样把物质压进新的世界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/bridgman-high-pressure/)