1、 1910年諾貝爾物理學獎1910年諾貝爾物理學獎 氣液物態方程 1910年諾貝爾物理學獎授予荷蘭阿姆斯特丹大學的凡得瓦(J. van der Waals，18371923 )，以表彰他對氣體和液體的物態方程（equation of state）所作的工作。 十九世紀末，分子運動論逐步形成了一門有嚴密體系的精確科學。與此同時實驗也越做越精，人們發現絕大多數氣體的行為與理想氣體的性質不符。1847年勒尼奧(H. V. Regnault)做了大量實驗，證明除了氫以外，沒有一種氣體嚴格遵守波以耳(Boyle)定律，這些氣體的膨脹係數都會隨壓力（壓強）增大而變大。1852年焦耳和W.湯姆森合作做了多孔

2、塞實驗，發現實際氣體在膨脹過程中內能會發生變化，證明分子之間有作用力存在。1863年安卓士(T. Andrews)的二氧化碳等溫線敘述二氧化碳氣體存在一個臨界溫度31.3，高於這個溫度無論如何也無法使氣體液化。1871年J.湯姆森(James Thomson)對氣液兩態問題提出了新的見解，他對安卓士的實驗結果做了補充，認為在臨界溫度以下氣液兩態應有連續性的過渡，並且提出一個“”形的等溫線。不過他既沒作定量計算也沒有用分子理論加以解釋。 把分子運動論的原理運用於氣液兩態，並成功地從理論上對兩態之間的連續性過渡作出定量分析的就是荷蘭物理學家凡得瓦。1873年他在博士論文論氣態和液態的連續性中考慮了

3、分子體積和分子間吸力的影響，推出了著名的物態方程：這就是膾炙人口的凡得瓦方程，其中p、V、T分別是氣體的壓力（壓強）、體積和溫度，R是氣體常數。他還進一步導出了常數b是分子體積的4倍。這個方程不僅能解釋安卓士的實驗結果及J.湯姆森的見解，而且能從常數a、b值計算出臨界參數，這對“永久氣體”液化的理論起了指導作用。這篇論文是用荷蘭文發表的，起初影響不大，後由於馬克士威注意到了他的論文，並於次年(1874年)在有國際影響的自然雜誌上對該文作了熱情的述評。馬克士威寫道：“毫無疑問，凡得瓦的名字將很快出現在第一流的分子科學家的名單中”，“可以肯定，不止一個科學家正在注意學習他的論文所用的低地荷蘭語。”

4、後來，果然在荷蘭皇家科學院學報和荷蘭年鑑(Archives Neerlandaises)上陸續發表了許多這一課題以及與之有關的論文，並被譯成其它文字。凡得瓦和他的學派在國際物理學界開始引起廣泛的迴響。 凡得瓦1837年l1月23日出生於荷蘭的萊頓，在家鄉結束了教育後，成為一名中學教員。雖然他因不懂古典語言而未能參加大學入學考試，但在l8621865年期間，他利用業餘時間在萊頓大學繼續學習，並獲得了數學和物理學的教師證書。 1864年，凡得瓦任德文特(Deventer)一所中學的教師。1866年到海牙，先當該城一所中學的教師，後任該校校長。 新的立法取消了理工科大學生入學前必須受古典語言教育的規

5、定，使凡得瓦能夠參加大學考試。1873年他以“論氣態和液態的連續性”這篇論文取得了博士學位，使他立刻進入了第一流物理學家的行列。在這篇論文中，他提出了包括氣態和液態的“物態方程”，論證了氣液態混合物不僅以連續的方式互相轉化，而且事實上它們具有相同的本質。 1876年頒佈了新的高等教育法，將阿姆斯特丹古老的雅典語學院擴充成綜合大學，凡得瓦被任命為該校第一名物理學教授。他和同事范托夫(Vant Hoff)、遺傳學家德弗裏斯(Hugo de Vries)使該校聲譽大增。儘管各處向他發出盛情的邀請，但他一直忠實地留在該校，直到退休。 凡得瓦對他論文的課題發生興趣的直接原因，是克勞修斯(Clausius

6、)的論文中將熱看成是一種運動現象，使他想對安卓士l869年證明氣體存在臨界溫度時所作的實驗尋找一種解釋。凡得瓦的天才在於，他發現必須考慮分子的體積和分子間的作用力(現在一般稱為凡得瓦力)，才能建立氣體和液體的壓力（壓強）、體積、溫度之間的關係。 凡得瓦經過艱苦的努力，於1880年發表了第二項重大發現，當時他稱之為“對應態定律”。這個定律指出：如果壓力（壓強）表示成臨界壓力（壓強）的單調函數，體積表示成臨界體積的單調函數，溫度表示成臨界溫度的單調函數，就可得到適用於所有物質的物態方程的普遍形式：在這個方程中，原來在凡得瓦方程中的a、b、R這三個常數可用特殊物質的臨界值p、q來表示。正是由於在這個

7、定律的指導下進行實驗，杜而(Dewar)才在1898年製成了液態氫，卡末林-昂納斯在1908年製成了液態氦，並因此榮獲1913年的諾貝爾物理學獎。卡末林-昂納斯在1910年寫道：“我們一直把凡得瓦的研究看成是實驗取得成功的關鍵，萊頓的低溫實驗室就是在他的理論影響下發展起來的。” 十年後，即1890年，關於“二元溶液理論”的第一篇論文在荷蘭年鑑上刊出，這是凡得瓦的又一項重大成就。他把物態方程和熱力學第二定律結合起來，創造了一種圖示法，以吉布斯在“非均勻物質的平衡”這篇論文中首次提出的形式用一個面表示他的數學公式。為紀念吉布斯，他把這個面稱為“Y面”，因為吉布斯用希臘字母Y作為自由能的符號，他認為

8、自由能對平衡有著重大意義。二元混合物理論引起了一系列實驗，其中庫恩(J. P. Kuenen)的實驗是最早的實驗之一。庫恩發現，臨界現象的特徵完全可由理論預言。關於這個課題的報告後來收編進了凡得瓦和柯恩斯塔姆教授合著的熱力學教程之中。 還應當提到的是凡得瓦的毛細現象熱力學理論，其基本形式第一次出現在l893年。這一理論認為，在液體和蒸氣之間的邊界層存在著密度連續的但又十分迅速的變化。這個觀點和吉布斯的不同，吉布斯則假設從液體到蒸氣之間密度是突變的。拉普拉斯(Laplace)早年建立了毛細現象的理論，凡得瓦卻認為分子永遠在作高速運動。在臨界溫度附近所作的關於這個現象的實驗支援了凡得瓦的觀點。 凡得瓦獲得了許多榮譽，特別應提到的是：他是劍橋大學的榮譽博士，莫斯科帝國