相転移

物質の状態は、固体、液体、気体のいずれにおいても、その粒子（原子、分子、イオン）の秩序と配列によって決まります。固体中の粒子は、互いに密着しており、一般にパターン化されています。粒子は固定された位置で振動していますが、隣の粒子を越えて移動したり圧迫したりすることはありません。液体では、粒子の間隔は狭いものの、ランダムに配置されています。粒子の位置は固定されておらず，隣の粒子を追い越して別の場所を占めることができます。固体や液体の状態では粒子が接近しているため、これらは凝縮状態または凝縮相と呼ばれます。これらの状態では、物質は比較的強い分子間力を示します。気体では、粒子間の引力は弱いです。気体の粒子は隣の粒子に拘束されておらず、粒子は自由に動くことができ、通常の状態では大きな距離を隔てています。

物質の内部エネルギー(分子の運動エネルギーの総和)は、凝縮相における分子間力の強さと、物質にかかる圧力に依存します。物質の内部エネルギーは、気体の状態で最も高く、固体の状態で最も低く、液体では中間となります。

相転移は、温度や圧力などの物理的条件が変化し、分子間力の強さが変化することで起こります。例えば、物質に熱を加えると、粒子の熱エネルギー（または運動エネルギー）が増大し、粒子間の引力に打ち勝つことができます。固体が溶けるのは、温度が上昇して粒子の振動が速くなり、固定されていた位置から移動できるようになったときです。この相転移を「融解」といい、この相転移が起こった点を固体の融点といいます。さらに温度が上がると、粒子の動きが速くなり、最終的には気体の状態になります。これが気化であり、その時の温度が液体の沸点となります。

相転移点と相転移に伴うエネルギー変化は、物質に存在する分子間力に依存します。一定の圧力下では、分子間力が強い物質ほど、その力に打ち勝つために多くのエネルギーを必要とし、その結果、より高い温度で相変化を起こします。温度を変えずに1モルの物質が完全に相転移するのに必要なエネルギーを、その相転移のモル熱またはモル・エンタルピーと呼びます。例えば、1モルの液体を気化させるのに必要なエネルギーは、気化のモル・エンタルピーと呼ばれます。

エネルギーを吸収して起こる遷移は発熱であり、そのエンタルピー値は負です。一方、エネルギーを放出して起こる遷移は吸熱性であり、そのエンタルピー値は正です。例えば、気化のモル・エンタルピーは正、凝縮のモル・エンタルピーは負です。

物質は分子ごとに相を変えていくため、相転移の間は2つの相が共存し、熱を供給し続けても物質の温度は一定に保たれます。バルクの相転移が完了すると、物質の温度は上昇します。

閉鎖系で相転移が起こると、相反する相転移が同じ割合で起こり、動的平衡状態になります。