11.6: 相变

物质的状态取决于其粒子 (原子，分子或离子) 的顺序和排列。 粒子紧密结合在一起，通常采用一种模式。 粒子的固定位置会振动，但不会移动或挤压到邻居。 在液体中，尽管粒子的间距很近，但它们是随机排列的。 粒子的位置不固定，即他们可以随意通过邻居来占据不同的位置。 由于粒子在固体和液体状态下紧密结合，因此它们被称为冷凝状态或冷凝阶段。 在这些州，物质表现出相对强的分子间作用力。 在气体中，粒子间吸引力较弱。 气体的粒子不受邻居的限制；粒子可以自由移动，在正常情况下，可以用大距离分隔。

物质的内部能量—其所有分子的总动能—取决于浓缩阶段分子间作用力的强度和对该物质施加的压力。 物质的内部能量是气体状态中最高的，固态中最低的，液体中中等的。

相变是由物理条件 (如温度和 / 或压力) 的变化引起的，这些变化会影响分子间作用力的强度。 例如，在物质中添加热量会导致其粒子热能 (或动能) 增加，从而克服它们之间具有吸引力的分子间作用力。 当固体温度升高到粒子振动足够快，无法从固定位置移出时，固体会融化。 这种相变称为熔化，其发生点是固体的熔化点。 随着温度的进一步升高，粒子的移动速度会更快，直到它们最终进入气态。 这是汽化，其发生点是液体的沸点。

与过渡相关的相变点和能量变化取决于物质中存在的分子间作用力。 在给定压力下，分子间作用力较强的物质需要更多的能量来克服它们，因此，在较高温度下会发生相位变化。 导致一个物质的一个摩尔的完整相变 (无温度变化) 所需的能量称为该过渡的摩尔热或摩尔焓。 例如，汽化一摩尔液体所需的能量称为汽化的摩尔焓。

吸收能量产生的过渡是放热，其焓值为负。 另一方面，释放能量所发生的转换是内发性的，它们的焓值是正数。 例如，虽然汽化的摩尔焓为正，但冷凝的摩尔焓为负。

由于一种物质在相变期间通过分子从一个相向另一个分子转换，这两个相共存；尽管热量持续供应，但该物质的温度保持不变。 在散装物的过渡完成后，物质的温度会升高。

当相变发生在封闭系统中时，对向转换以相等的速率发生，从而形成动态平衡状态。

物质通常以三种相之一存在：固相、液相或气相。从一个相到另一个相的转变显着改变了 分子的有序性和紧密性。当分子的内能允许它们 处于任一状态时，分子就会在不同的相之间转变。这取决于分子间作用力 在更凝聚状态下的强度 和施加在物质上的压力等因素。温度是内能的反映，因此通常 以一定压力下的温度 来描述相变点。例如，对水和丙酮作一下对比。水显示出很强的氢键，而丙酮分子显示出较弱的偶极-偶极力。由于吸引力更强，需要更多的热量将水变成蒸汽。这就解释了为什么在任何给定的压力下，丙酮的沸点都低于水的沸点。因为相变是一个分子接一个分子发生的，所以相变过程中各相共存。在块体转变完成之前，即使热量流向或流出物质，温度也不会改变。当水被加热时，也有类似的观察结果。水的温度上升，直到达到沸点，此时 液相和气相共存。额外的加热不会使液态水的温度 升高到沸点以上；相反，它只会导致更快的沸腾。一摩尔物质 在没有温度变化的情况下 完全经历该转变所需的能量变化 称为该转变的摩尔热或摩尔焓。如果物质吸收热量进行转变，则转变的焓为正，为吸热过程。物质失去热量的转变 有负的焓值，为放热过程。如果物质在封闭系统中保持在转变点，则相反的转变过程 将达到动态平衡状态。