5-11 物态和相变  

物质是由原子和分子等大量微观粒子构成的。在一定的温度和压强下形成的具有某种稳定结构的粒子聚集态叫做物态。气态、液态与固态是三种常见的物态、随着观察研究的深人发展,人们发现物质远不止三种物态,它们可以有晶态、非晶态、液晶态、等离子态、超导态、超固态和中子态等等。物质从一种物态向另一种物态的转变叫做相变。现在,我们研究物质在相变时发生的物理现象。

1.液体的汽化

液体中的分子逸出液面向空间扩散的过程叫做汽化。液体中各个分子的速度不同,因而动能也有大有小,即将逸出液面的分子受到液体表面层分子的引力,必须克服这个引力而消耗能量才能逸出,因此,只有那些速度足够大,亦即动能足够大的分子,才能逸出液面。这样,汽化的结果,所剩下的液体分子的平均动
能将要减小,液体的温度将要降低。汽化时,要维持液体的温度恒定,必须向液体传递热量
    当液体盛放在封闭容器中时,液体汽化后,分子留在液面上空,有一些会因接触液面而再回到液体中,这对,液化与汽化将同时进行。如果单位时间内离开液体的分子数等于从蒸气回到液体中的分子数,这时,宏观的汽化现象就停止了,容器中的蒸气达到饱和,我们把这时蒸气的压强定义为饱和蒸气压。饱和蒸气压是随温度的升高而增大的。

在图5-12的图中,表示饱和蒸气压与温度的变化关系的曲线叫做汽化曲线。按饱和蒸气压的定义,可知汽化曲线上任一点的的量值是表示这种物质液气平衡共存的条件的。


图 5-12 相变曲线

2.固体的熔解及汽化

在一定的温度与压强下,固体将熔解为液体。固体熔解时,分子之间的势能增加,因此也要从外界吸取能量。我们把熔解单位质量的固体所需要的热量,叫做熔解热,当单位质量的液体凝固时,同样的热量将被释放出来。在一定的压强下,固体的熔解温度叫做熔点熔点随压强的变化关系,用图中曲线表示,叫做熔解曲线。熔解曲线表示固态与液态平衡共存的温度-压强条件。熔解曲线与汽化曲线不同,汽化曲线是有终点的,这个终点就是临界点。在临界点以上分不出气液两相。由于临界点的存在,可使物质从液态连续地变化到气态,而不经过两相平衡共存的阶段。熔解曲线没有终点,亦即液态与固态之间没有临界点。这是因为固体指的是晶态物质,晶态具有严格的对称性,而液态却没有这种对称性,两者在结构上存在着重大的差别。

    固体也可以不通过熔解而直接汽化,这叫升华。当然蒸气也可以不通过液化而直接生成晶体。固体和蒸气达到动平衡时,蒸气的压强也叫做饱和蒸气压,它也是温度的函数,在图上也可画出固体的升华曲线,如图5-12中的曲线。大多数固体的饱和蒸气压很小,升华现象也很不显著。

物质在相变时所需要的热量,不论是汽化热,还是熔解热,统称潜热。物质在相变时所需要的潜热,有两方面的作用:一是使物质的内能发生变化;二是使单位质量的物质体积变化时,能克服恒定的外部压强而做功。前者叫做内潜热,后者叫做外潜热

3.三相点

图上,物质的汽化曲线、熔解曲线和升华曲线相交于一点,这点叫做三态平衡点(图5-12中的点),也叫三相点。因为三条曲线分别表示了两种不同物态平衡共存的条件,所以,三态平衡点的温度与压强反映了物质的三种物态可以平衡而共存的条件。三态平衡点的温度与压强的量值随物质而异,常见的一些物质的三相点的温度与压强有如下表。

物质的三态平衡点
物  质
温度
压强