世界与物态
在我们所居住的地球这个千姿百态、色彩斑斓的世界上，我们生活中的每一天，都必须不停地与各种各样的物质打交道。在这个物质的世界之中，物质的种类之繁多，物质所结合而成的各种结构之复杂，是难以想象的。不过，在人们对热现象的深入研究中，逐渐地发现世界上各种物质的微粒在永不停息的无规则的热运动过程中，由于运动特点的微观过程的差异，形成了数量并不多的几种物质存在的状态，物态变化这就是我们所说的世界上的物质的三种物态：固态、液态和气态。在不同的物质所形成的同一种物态之间，都具有同种物态的特性；而同一种物质，在不同的条件下，可以形成固态、液态、气态等各种物相，并且在一定的条件变化过程之中，这种物质可以在几种物态形式之间转化。世界便在这些不同的物态以及不同物态相互转化的基础上，形成了千变万化、丰富多彩的自然景观。在这里，我们把分别处于固态、液态和气态的物体称为固体、液体以及气体，不同物质组成的固体、气体和液体之间，有着相应物态的内在的共同属性，也因物质的不同而在同一物态内有着特异性，这也正是世界的多样性、复杂性的本源之一。
是谁撑起了世界
世界是有形的，可以触摸可以看见的。
滑冰不过，这个奇妙的世界是由什么塑成的呢？这是什么东西的功劳？对这个问题，也许大多数人都能不假思索地答出正确的答案：固体。不错，是固体，是形态各异的固体塑成了我们这个有形的世界，是坚强的固体支撑起了这个世界，这一切，正是由于组成这个有形世界的物质具有了固体的通性。
固体是坚硬的，或者是柔韧的，虽然用力可以使固体发生形变，如弯曲、折断、下凹或拉长与缩短等，但是，固体无论在多么大的压力之下，都不会被明显地压缩（除非本就是疏松而不致密的物块）。这一切，根源都来自于固体的微观结构。固体也是由分子、原子、离子等无数微观粒子构成的，按照分子运动论的观点，固体中的微观粒子也在毫不知疲倦、永不停息地做无规则的热运动，不过，由于固体中微观粒子之间的距离极小，粒子与粒子之间几乎是紧密堆积而少有空隙，就像堆在一起的乒乓球那样，周围没有多少自由运动的空间，因而只能绕着一个固定的平衡位置做轻微的、不规则的振动。正是由于堆积密的微观特点，固体物质一般都具有不可压缩、不流动的一定的形状与体积，具有一定的硬度、韧性、抗拉抗压抗折等多种较强的机械性能。所以，我们踏在地球表面上，可以丝毫不为陷下去而发愁；平时怕掉在河中喝个饱的人，冬天的冰雪季节里也可以放心大胆地在河里的冰面上踏着极薄的冰刀自由自在地滑行了。
形形色色的物质构成的固体又按其微观结构及宏观表现分为晶体及非晶体。晶体是受热升温到一个特定的温度时能转化为液体的固体，对热传导等表现为各向异性，微观粒子的排列堆积结构则具有微观周期性，比如食盐晶体、冰晶体等；非晶体则不会有特定的转化为液体的温度，对热传导等表现为各向同性，微观粒子的排列不具有周期性或者只具有局部的周期性，全局排列并无规律。晶体在受热时转化为液体的特定温度称为固体的熔点，是晶体物质的一个特征数值。在熔点温度以上，晶体物质就再也不能以固态形式存在，而成为流动的液体了。
流动的世界
冰是坚固的，其内部的水分子排列致密，只能围绕平衡位置做轻微振动，因而是典型的固体物质。然而，当我们加热一块冰，温度到达0℃时，冰便会由固体慢慢转化为液体——水，此时虽然吸收热量，但温度并不会升高，这是为什么呢？
原来，当冰受热而达到它的熔点时，内部的水分子微粒由于吸收了能量，分子运动更加剧烈，有的分子已经具有足够的能量摆脱平衡振动位点对它们的束缚而慢慢地自由移动。这时吸收的热量越多，便有越来越多的分子由束缚振动变为自由移动，固态的冰便越来越多地溶化为液态的水。当冰完全化为水时，吸收的热量才会使水温高于0℃了。
正是由于分子无规则热运动的加剧，由束缚振动变为自由的慢慢移动，分子间距也略有增加，从而液体与固体便有了本质的性质差异。水不再具有冰的硬度、强度、韧性、抗拉抗折、不易形变等机械特性，代之以流动、易形变等特性。正是由于这个奇妙的转变，我们才得以看见一个流动的，充满活力与灵动的奇妙的流体世界；也正是由于这个奇妙的转变，我们才可以在冬天里滑冰之后，还能在酷暑里在清凉的水中自由自在地游泳，享受另一种无拘无束的感觉。
不过，值得一提的是，水的热胀冷缩现象有它自己的特殊性。一般的物质，温度高的液体密度小，降温则密度增大，体积缩小，再降温甚至凝固成固态时，密度更大，体积更小甚至发生一个大的飞跃。水呢，在4℃以上，它与一般液体一样遵循热胀冷缩规律，不过在4℃以下降温时，它的体积并不缩小，反而是膨胀增大，密度减小，直到变为冰亦然。这便是水的反常膨胀现象，由这个现象可以看出，水在4℃时有密度最大值，4℃以上或4℃以下密度都小于这个最大值，冰则不像一般物质那样固体比液体密度大，而是冰的密度比水小，由水结冰时体积会增大。你若不相信，可以做一个小实验来令你信服地证明这一点：冬天的冰雪季节里，装一小瓶水并塞紧，放在室外搁一夜。第二天早上你再去看它时，你会发现由于一夜0℃以下的冰冻，瓶中的水早已完全冻成冰了，可怜的小瓶被胀得四分五裂目不忍睹，只是冰却奇妙地保持着瓶的原形，不过，在这里你不必为小瓶的惨状而伤心，只要想想冬天在河面上冰面滑行的乐趣，再想想冰面下水中的游鱼能在温度较高的水层自由地嬉戏往来穿梭，你就该高兴起来。设想一下如果不是水的反常膨胀，冰将结在水下，河水若没完全冻成一个大冰棒便根本无滑冰的快乐了，而如果河流变成了一个完全的大冰棒，河中的可怜的鱼儿们岂不成了冰块中的化石了？
水和冰当液态水继续受热而升温时，水分子的能量将越来越高，无规则的热运动也就将越来越剧烈。慢慢地，一些具有足够能量的水分子不再甘于缓慢的自由的游动，而是摆脱了周围液相水分子的束缚，飞出水面，在空中无规则地快速地飞行起来（当然也可能由于飞行方向的失控——其实根本是无控而一头扎回水面下重新成为水的俘虏），这时它们的分子间距远大于本身分子的大小，已经成为水蒸气——水的气态了。当水被加热到100℃时，大量吸收的热使大量的水分子同时飞出水面成为气体，于是水便沸腾了，100℃这个水由液态剧烈转化为气态的特征温度便被称为水的沸点。在沸点上，水由液态转化为气体分子的过程称为沸腾，低于沸点时，少量水分子也能转化为气体分子，这个过程则称为蒸发。其他液体与水一样，通过蒸发与沸腾的过程，都变成了另外一个物相状态——气态。
摸不着的世界
由于气体分子的间距大，运动速度快，分子极为自由，因而它除了比液体具有更大的流动性之外，它还有着与固体及液体完全不同的特性——可压缩性。固体及液体的机械特性在气体身上完全失去了，气体变成了摸不着的世界，而且几乎是无孔不入。对某种材料包围着的气体，比如一个容器中用自由活塞密封起来的气体，当我们在塞子上方加上一个砝码或别的重物，即通过活塞对气体施加压力时，气体体积将明显地缩小；而当你将活塞上的砝码移去时，它却因压力减小而自动将活塞往上顶一些位置，体积增加。因而，气体具有极为明显的可压缩性。
盖·吕萨克也正是由于气体模型的相对简单、气体分子间的相互作用相对微弱甚至可以完全忽略，从古至今，科学家们对气体进行了极为全面深入的研究，并取得了若干突破性的进展，揭示了气体世界的奥妙，以及气体在外环境作用下的种种内在规律。在这当中，气体定律应当说是最为主要的成就。
1802年，盖·吕萨克把自己的精力集中到早已着手研究的问题——气体的热膨胀性质。当时，随着氧、氮等气体发现之后，许多科学家都进行了测定不同气体热膨胀系数的实验，但各种测量却得出了很不一致的结果。
原因何在？勤于思考的盖·吕萨克不断进行实验观察，不断提出各种假设，终于找到了问题的症结，原来“这些实验测量之所以不够准确，是由于仪器里面有水”。
他指出：“设一装满空气的球，其中存有几滴水，如果球的温度升到水的沸点的温度，则这几滴水就会化成大于原体积约1800倍的水汽，因此，球中的空气，大部分就会被排出。所以，当球中的汽冷凝到小于原体积1800倍时，人们必然把这球中仅存空气的膨胀量估计得过高，因为球在沸点时，只有这种空气充塞它的全部体积。如果球的温度不到沸点的话，这种不准确的原因也仍然存在，因为在这种情形之下，水还没有完全汽化，但空气将随着温度的上升而吸收越来越多的水气，从而使该空气的体积，除了因热而增加外，还因吸收这水汽而越来越大的增加。”
盖·吕萨克努力使各种实验气体充分干燥，从而得出了气体热膨胀系数的相同数值。他写道，这些实验“是我以最大的细心进行的，它们清楚地表明，大气层中的空气、氧气、氢气、氮气、蒸气、氨气在相同的温度提升下同样均匀地膨胀，我能够得出这个结论：一般地说，所有的气体都会以同样的比例发生热膨胀。”