Вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в  газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии, причем температура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от взаимодействия частиц, образующих вещество. Этими частицами могут быть молекулы, атомы или ионы.

Частицы (далее для простоты они называются молекулами) газов, жидкостей и твердых тел совершают хаотическое движение. Чем выше температура вещества, тем больше средняя скорость молекул.
Различие же в характере движения молекул газов, жидкостей и твердых тел объясняется различием силового взаимодействия их молекул, существенно зависящего от средних расстояний между молекулами (и типов молекул или атомов).

Газы. В газах расстояния между молекулами во много раз превышают размеры самих молекул, силы взаимодействия между молекулами малы и молекулы движутся по всему объёму, где находится газ, почти независимо друг от друга, меняя направление и модуль скорости при столкновениях с другими молекулами и со стенками сосуда. Модель идеального газа описывает поведение разрежённых реальных газов при достаточно высоких температурах и низких давлениях. В идеальных газах размеры молекул и их взаимодействие друг с другом не учитываются. 

Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии межмолекулярного притяжения, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Увеличение давления приводит к уменьшению среднего расстояния между молекулами, поэтому при больших давлениях необходимо учитывать  объем молекул и взаимодействие между ними. Например, в 1 м³ газа при нормальных условиях (1 атм = 101,3 кПа) содержится 2,7·10²⁵ молекул, радиус которых примерно равен 0,1 нм. Поэтому эти молекулы занимают объем (4/3) π· (10-10)³ ·2.7·10²⁵ ≈10^-4 м³, которым по сравнению с объемом газа 1 м³) можно пренебречь. При увеличении давления в пять тысяч раз (500 МПа) молекулы будут занимать половину всего объема газа. Поэтому при высоких давлениях и низких температурах модель идеального газа непригодна. И действительно, многие реальные газы при таких условиях превращаются в жидкость.

Жидкости. Это состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым:  например, жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом (не зависящим от "сосуда"), но подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. В жидкости каждая молекула хаотически движется, сохраняя расстояние до соседних молекул, поэтому молекулы могут смещаться друг относительно друга. Молекулы жидкости перемещаются по всей массе жидкости, но диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. 

В жидкостях расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах. Силы взаимодействия между соседними молекулами велики, молекулы жидкости совершают колебания около некоторых средних положений равновесия, но эти положения перемещаются. Таким образом, в жидкости имеется некоторая упорядоченность в расположении близлежащих частиц, изменяющаяся во времени и в пространстве, т. е. не повторяющаяся во всем объеме жидкости. Поэтому говорят, что жидкость обладает ближним порядком.

Поскольку средняя кинетическая энергия молекул жидкости сравнима с их потенциальной энергией взаимодействия, молекулы, обладающие случайным избытком кинетической энергии, преодолевают притяжение соседних частиц и изменяют своё положение равновесия. Колеблющиеся молекулы жидкости через малые промежутки времени (в среднем примерно через 10^{-8} с) скачкообразно перемещаются в пространстве, что объясняет текучесть  жидкостей.

С увеличением температуры жидкости скорости (и частота колебательного) движения молекул увеличиваются, возрастает и расстояние между молекулами. При дальнейшем увеличении температуры жидкость может превратиться в газ.

Твёрдые тела. В твердых телах силы взаимодействия соседних молекул настолько велики, что молекула совершает лишь малые колебания около некоторого постоянного положения равновесия узла. Если расположение узлов является периодическим (в трёх направлениях), то такие тела называют кристаллическими. Говорят, что в них узлы образуют кристаллическую решётку, что структура обладает дальним порядком. Строение кристаллической решетки определяется характером межмолекулярных взаимодействий образующих вещество молекул. Это идеальное кристаллическое твердое тело. В реальных кристаллах имеются различные нарушения порядка (дефекты кристаллической структуры), возникающие в процессе кристаллизации вещества. Поэтому бывают монокристаллы и поликристаллы.

Если же расположение узлов не является периодическим, то такие твёрдые тела называют аморфными. Точнее, в аморфных твёрдых телах аналогично жидкостям, атомы колеблются около хаотически расположенных узлов. Однако перемещения частиц аморфного тела из одного положения равновесия в другое происходят за настолько большие промежутки времени, что практически аморфные тела являются твердыми телами.

 Для увеличения поверхности жидкости надо затрачивать работу на извлечение внутренних молекул на поверхность. Работа, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости на единицу площади, называется поверхностным натяжением и обозначается а. Численно поверхностное натяжение а равно силе, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости. Единица поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²). Поверхностное натяжение с увеличением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

 Рис. 1. Частицы на поверхности и внутри жидкости. На молекула A внутри жидкости действуют только те молекулы, которые находятся внутри сферы молекулярного действия радиуса г (показано сечение сферы — окружность). Cилы, с которыми эти силы действуют на молекулу A направлены в разные стороны и в среднем результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Для молекулы B, расположеной от поверхности на расстоянии, меньшем г, сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая сил F, приложенных к ЖИДКОСТИ.

 Капилляры. Силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела либо вызывают растекание капли жидкости по поверхности твёрдого тела, либо нет. В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором — не смачивает её. Смачивание зависит от величины сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Если поместить узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра поверхности жидкости в капилляре искриивляется. Если жидкость смачивает материал трубки, то внутри ее поверхность жидкости — мениск — имеет вогнутую форму, если не смачивает — выпуклую (рис. 2). Под вогнутой поверхностью жидкости появится отрицательное избыточное давление. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приведет к опусканию жидкости в капилляре. Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью.
 
Рис. 2. Угол смачивания Θ, сила поверхностного натяжения на границе жидкость-стенка F и объём V, определяющий сдвиг уровня в капилляре. Высота h поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна радиусу r поперечного сечения капилляра, см (1). а) Смачивающая жидкость в < 90°. б) Несмачивающая жидкость в > 90°.
Жидкость в капилляре поднимается или опускается на высоту h (см. рис. 2), при которой вес столба жидкости pghπ²2 уравновешивается силой поверхностного натяжения 2πpσ| cos Θ|. Поэтому
 

 где p — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус капилляра, Θ — угол смачивания.

С открытой поверхности жидкости всегда происходит испарение. Если жидкость находится в закрытом сосуде, то испарение продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто давление пара, при котором устанавливается равновесие между паром и жидкостью. Это давление называется давлением насыщенного пара при данной темперетуре, а такой пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Равновесие между насыщенным паром - динамическое, т. к. некоторое количество молекул покидает жидкость и примерно такое же количество других молекул возвращается из пара в жидкость.

Рассмотрим реальный газ находится в цилиндре с поршнем, помещенный в термостат с температурой T. На рис. синяя линия показывает изменение давления при медленном (изотермическом) изменении объёма газа при этой температуре T< TK, где K - критическая точка, TK - критическая температура.

Предположим, что поршень выдвинут, газ имеет малое давление и мы очень медленно вдвигаем поршень в цилиндр. Температура газа при этом не меняется, выделяющееся при сжатии газа тепло передаётся термостату, так что точка на плоскости Vp перемещается вдоль изотермы. При малых p газ можно считать идеальным и изотерма является гиперболой pV = const. При уменьшении объёма V до значения V2 давление газа монотонно увеличивается. Но на участке [V1,V2] давление не изменяется, соответствующий участок изотермы горизонтален. Дело в том, что на этом участке в цилиндре образуется жидкость и при уменьшении объёма часть газа (пара этой жидкости) превращается в жидкость (конденсируется). При V< V1 весь газ превратился в жидкость. Таким образом, при T <TK изотерма имеет вид ломаной линии: участок с V > V2 отвечает газообразному состоянию, а часть c V ≥ V1 - жидкому. В состояниях, соответствующих горизонтальному участку изотермы,жидкая и газообразная фазы вещества находятся в равновесии.

Вещество в газообразном состоянии при температуре ниже критической называется паром, а пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

При T > TK газ нельзя превратить в жидкость, но при значительном увеличении давления это вещество ведёт себя как жидкость, причём резкого перехода между таким почти жидким и газообразным состояниями нет. Процесс испарения более сложен. Существуют неравновесные состояния, например, перегретая жидкость и перенасыщенный пар.

  Рис. 1.  Реальный газ находится в цилиндре с поршнем, цилиндр - в термостате. Синим цветом выделена одна из изотерм, она показывает изменение давления при медленном (изотермическом) изменении объёма газа. Чёрные линии - изотермы этого же газа при других температурах. Зеленая стрелка показывает направление, в котором смещаются эти изотермы при увеличении температуры. Точка K - критическая точка, она лежит на изотерме, соответствующей критической температуреTK . Точки под красной линией соответствуют состояниям, в которых (насыщенный) пар находится
в равновесии с жидкостью. 

Реальный газ при низких температурах и высоких давлениях может распадаться на физически однородные части (фазы вещества): газообразную, жидкую и твердую. На рис. 2 показана Tp-диаграмма этих фаз.  

Рис. 2 фазы некоторого количества реального газа. Точкам на линиях соответствуют состояния, в которых две фазы находятся в равновесии и только в тройной точке в равновесии могут находиться три фазы. Красным цветом выделена линия, показывающая зависимость давления насыщенного пара от температуры. Она выходит из тройной точки (внизу) и заканчивается в критической точке K, отделяя состояния пара (газообразную фазу) от жидкой. состояний  жидкости. Обозначены критическая температура TK и критическое давление pK. Каждой точке на красной линии соответствует горизонтальный отрезок на соответствующей изотерме на рис. 1. В левой части показаны состояния, соответствующие твёрдой фазе.

Модель.
Цилиндр, поршень, жидкость и её пар в цилиндре, регулятор температуры.  (Точка состояния (T,p) выводится на плоскость. Можно вывести все графики.

Процессы изменения состояния газа могут быть очень сложными, давление p и температура T, зависящие от времени, могут меняться от точки к точке. В простейших же случаях они постоянны во всём объёме газа и медленно меняются во времени. Такой процесс изображается линией на плоскости с координатами
  либо p,V, либо V,T, либо p,T.  Совсем просто описывается процесс, когда один из трех макроскопических параметров p, V, T не изменяется (или специально поддерживается постоянным). На диаграмме двух других параметров состояние изображается точкой на соответствующей линии - изобаре, изохоре или изотерме.

В некоторых случаях удаётся контролировать теплопередачу или совершаемую газом (или над газом) работу. Для описания таких процессов кроме уравнения состояния f(p,V,T)=0 необходимо использовать первое начало термодинамики ΔU=A'+Q, где A'  - работа внешних сил, Q - полученное газом тепло.

Выделяют класс процессов, пр и которых не происходит теплообмена (или он мал и им можно пренебречь).

Адиабатым процессом называется процесс сжатия или расширения газа без теплообмена с внешней средой. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

При адиабатном процессе теплообмена с внешней средой нет, но газ может совершать работу, что изменяет его энергию и, следовательно, температуру, т. к. согласно первому началу термодинамики Δ U=A'+Q, где A'  - работа внешних сил и Q=0.

  Рис. Адиабатное расширение газа 1 → 2. Синим цветом показаны две изотермы, проходящие через состояния 1 и 2. При адиабатном расширении газ совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается
и поэтому T1 > T2. Серым выделена область под адиабатой. Её площади (со знаком + для процесса 2 → 1 или минус для процесса 1 → 2) равна работе A', произведённой внешними силами над газом. Сравните эту работу с работой в процессах из изохоры и изотермы 14+42, а также 13+32.

На рис. показаны две изотермы для температур T1 и T2. Так как для одной и той же массы газа увеличение температуры при неизменном давлении приводит к увеличению объема (закон Гей-Люссака), то на рис. T1 > T2. Изотермический процесс происходит при сохранении неизменной внутренней энергии (Δ U=0), т. е. A'+Q=0. При изотермическом сжатии A'>0, следовательно, Q<0 - процесс изотермического сжатия сопровождается передачей теплоты от газа во внешнюю среду. При изотермическом расширении A'<0, следовательно, Q>0 - процесс изотермического расширения сопровождается передачей теплоты от внешней среды газу.

При адиабатном процессе Q =0. При адиабатном расширении газа 1 → 2 изменение внутренней энергии Δ U =A' < 0, работа внешних сил отрицательна, внутренняя энергия газа уменьшается, температура газа также уменьшается. При адиабатном сжатии газа 2 → 1 изменение Δ U =A'>0, работа внешних сил положительна, внутренняя энергия газа увеличивается, температура газа также увеличивается. Значит, адиабата пересекает изотермы. Отсюда следует, что адиабата проходит круче изотермы, см. рис. Адиабатный процесс (для  идеального газа) описывается уравнением

где γ>1 . Коэффициент γ = Cp/CV , где Cp и CV - теплоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно. Для одноатомных газов γ=5/3, для двухатомных γ=7/5, для многоатомных γ=4/3. Работа, совершаемая газом при адиабатном процессе равна площади под адиабатой (со знаком "+" или "-"), см. рис. При малом изменении Δ V объёма V газ совершает работу

где константа const из (1) вычисляется в начальной или конечной точке:  . Отсюда получаем величину работы, совершённой газом при адиабатном расширении 1 → 2 (см. рис.)

Адиабатный процесс может быть осуществлен либо при полной теплоизоляции газа, либо когда процесс протекает настолько быстро, что теплообменом с внешней средой за время протекания процесса, можно пренебречь. 

Адиабатный процесс осуществляется в двигателях внутреннего сгорания, где процессы протекают очень быстро. Другой пример адиабатного процесса - сжатие и расширение газа вызванное распространением звуковой волны.

 Внутренняя энергия тела - сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Средняя кинетическая энергия теплового движения одного атома равна E=3/2kT, где k - постоянная Больцмана. У идеального газа потенциальная энергия атомов пренебрежимо мала, поэтому внутренняя энергия U одноатомного идеального газа, состоящего из N= νNA атомов в N раз больше энергии E одного атома:

где NA - число Авогадро, ν - число молей газа, R= NA k - универсальная газовая постоянная, а также использовано уравнение Клапейрона-Менделеева p V= ν R T .

Существует две формы передачи энергии от одних тел к другим: совершение работы и передача теплоты. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии - первое начало термодинамики:

где ΔU - изменение внутренней энергии системы, ΔQ - полученное системой тепло, ΔA - совершённая системой работа.

Уравнение (1), первое начало термодинамики, устанавливает, что теплота Δ Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение Δ U её внутренней энергии и на совершение системой работы ΔA против внешних сил.

Найдем работу Δ A, совершаемую газом при изменении ΔV его объема. Например, пусть газ, находится под поршнем в цилиндрическом сосуде (рис. а}). Если газ, расширяясь, передвигает поршень на малое расстояние Δx, то совершённая газом работа равна
где S - площадь поршня, p - давление газа, F = pS - сила, с которой газ давит на поршень, ΔV = SΔx - изменение объема газа Здесь учтено, что перемещение Δ x параллельно силе давления F=p S. Таким образом,

при условии, что либо p=const, либо Δ V настолько мало, что изменением p можно пренебречь.

 Рис. а) При перемещении поршня на малое расстояние Δx газ совершает работу Δ A = p Δ V, где p - давление, ΔV = SΔ x - изменение объёма, S - площадь поршня. При уменьшении объёма работа ΔA, смещение Δ x и изменение объёма Δ V отрицательны. Красным показано новое положение поршня. б}) Полная работа A, совершённая газом при изменении его объема от V1 до V2, равна площади фигуры, показанной серым цветом. Синим цветом показана область, площадь которой равна работе, совершённой газом при малом изменении объёма газа на Δ V. Эта работа равна произведению p Δ V, где надо брать среднее значение p (оно тоже показано синим цветом). При достаточно малом изменении объёма изменение давления пренебрежимо мало.

Работа, совершённая газом, изображается графически как площадь некоторой фигуры на pV-плоскости. Например, если изменение давления газа при его расширении изображается кривой на рис. б то при изменении объема на Δ V совершаемая газом работа равна p\Δ V, т. е. равна площади полоски с основанием Δ V, показанной на рисунке б) синим цветом. Поэтому полная работа, совершаемая газом при расширении от объема V1 до объема V2,определяется площадью, ограниченной осью абсцисс, кривой p = p(V) и вертикальными прямыми V = V1 и V = V2. Так, для изохорного процесса V2=V1 и поэтому работа A=0. Для изобарного процесса p= const и поэтому (площадь прямоугольника) A=p(V2-V1), для изотермического процесса T= const, p(V)=ν RT/V и более сложные вычисления дают