一年四季里的物态变化
春天冰雪消融，夏天从冰箱里拿出的饮料瓶外壁很快挂满水珠，秋天清晨草叶上有露珠，冬天窗玻璃上结出冰花。衣柜里的樟脑丸放久了会越变越小，最后不见了。
这些都是物质在固态、液态、气态之间的转变，叫做物态变化change of state。
六种物态变化
| 变化 | 方向 | 吸热还是放热 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 熔化melting | 固态 → 液态 | 吸热 | 冰雪消融 |
| 凝固freezing | 液态 → 固态 | 放热 | 湖面结冰 |
| 汽化vaporization | 液态 → 气态 | 吸热 | 湿衣服晾干、烧开水 |
| 液化condensation | 气态 → 液态 | 放热 | 露珠、冷饮瓶外壁的水珠 |
| 升华sublimation | 固态 → 气态 | 吸热 | 樟脑丸变小、干冰变成气体 |
| 凝华deposition | 气态 → 固态 | 放热 | 霜、窗玻璃上的冰花 |
一个好记的规律：沿着“固 → 液 → 气”的方向变化（粒子间隔变大）要吸热，反过来要放热。粒子要挣脱彼此的吸引、离得更远，就需要吸收能量；粒子重新靠拢时，又会把这些能量放出来。
汽化有两种方式：
- 蒸发evaporation：在任何温度下都能发生，只在液体表面进行，比较缓慢。
- 沸腾boiling：要达到一定温度（沸点）才能发生，在液体内部和表面同时剧烈进行。
晶体晶体内部粒子按一定规则整齐排列的固体，有固定的熔点，如冰、食盐、金属。没有固定熔点的固体叫非晶体，如玻璃、石蜡，加热时先变软，再慢慢变稀。（如冰、食盐、金属）熔化时的温度叫熔点melting point，液体沸腾时的温度叫沸点boiling point。在 1 个标准大气压下，冰的熔点是 0 °C，水的沸点是 100 °C。
注意：物态变化只改变物质的状态，水还是水，没有生成新物质。下节课会讲，这样的变化叫物理变化。
加热曲线
用恒定的火力加热一块 −20 °C 的冰，每隔一段时间记下温度，再把数据画成“温度—时间”图像，就得到水的加热曲线heating curve。读图之前，先看看读坐标图的基本方法：
🔧 数学工具卡 · 读坐标图会了可以跳过
先看坐标轴：横轴和纵轴各表示什么量、单位是什么。下面的图里，横轴是时间（min），纵轴是温度（°C）。
再看刻度：每一格代表多少。纵轴从 −40 °C 到 140 °C 一共 9 大格，每大格代表 20 °C。
读一个点：从点出发，分别向横轴、纵轴画垂线，读出两个数。
读一段线：线往上走，表示纵轴的量在增大；线是水平的，表示纵轴的量不变；线越陡，变化越快。
一张图的纵轴从 0 °C 到 100 °C 平均分成 5 大格，每大格代表多少？
100 °C ÷ 5 格 = 20 °C / 格。
拖动滑块，或者点“播放”，看每一段水处于什么状态、正在发生什么。再切换到“冷却”，看看反过来会怎样：
图中的时间是示意的，但几个关键特点和真实实验一致：
- AB、CD、EF 段：只有一种状态，吸收的热量让粒子运动得更快，温度升高。
- BC 段（熔化）和 DE 段（沸腾）：两种状态共存，温度保持不变。吸收的热量用来让粒子挣脱彼此的吸引、改变排列方式，而不是让粒子跑得更快。
- DE 段比 BC 段长得多：把水分子彻底拉开、变成气体，需要的能量比熔化时多得多。
例题 1：读一种晶体的熔化曲线
加热一种叫海波海波硫代硫酸钠晶体的俗名，无色透明，熔点约 48 °C。物理课上常用它做熔化实验。的晶体，记录的数据画成图像后：0–4 min 温度从 20 °C 升到 48 °C；4–10 min 温度一直是 48 °C；10 min 以后温度继续升高。海波的熔点是多少？熔化用了多长时间？第 6 min 时海波处于什么状态？
- 找水平段。 温度保持不变的那一段对应熔化过程，温度是 48 °C，所以熔点是 48 °C。
- 读时间。 熔化从第 4 min 开始，到第 10 min 结束，用了 10 − 4 = 6 min。
- 判断状态。 第 6 min 正在熔化，海波处于固液共存状态。
- 想一想。 4–10 min 温度不变，但酒精灯一直在加热，说明熔化时要持续吸热。
例题 2：水蒸气烫伤为什么更严重？
被 100 °C 的水蒸气烫伤，往往比被 100 °C 的开水烫伤更严重。为什么？
- 先发生什么？ 水蒸气碰到温度较低的皮肤，会先液化成 100 °C 的水。
- 液化放热。 液化要放出大量的热，这些热都传给了皮肤。
- 再降温。 液化成的 100 °C 的水继续降温，又放出热量，和开水一样。
- 结论。 水蒸气比同温度的开水多放出一份液化热，所以烫伤更严重。
- 冰棍在手里化成了水
固态变成液态，是熔化。
- 冬天湖面结了一层冰
液态变成固态，是凝固。
- 湿衣服晾干了
水由液态变成气态跑到空气里，是汽化（蒸发）。
- 夏天，从冰箱拿出的饮料瓶外壁“出汗”
空气中的水蒸气遇到冷的瓶壁，变成小水珠，是液化。
- 樟脑丸放久了变小
樟脑由固态直接变成气态，是升华。
- 深秋清晨，草叶上结了一层霜
空气中的水蒸气遇冷直接变成小冰晶，是凝华。
- 烧开水时，壶嘴冒出的“白气”
水蒸气是看不见的。“白气”是水蒸气遇冷液化成的小水滴。
- 干冰（固态二氧化碳）放在空气中，慢慢变少
干冰不经过液态，直接变成二氧化碳气体，是升华。
- 炼钢厂把钢水倒进模具，铸成钢锭
液态的钢变成固态，是凝固。
常见误区
误区 1：“白气”就是水蒸气。 水蒸气是无色透明、看不见的。我们看到的“白气”，是水蒸气液化成的大量小水滴。
误区 2：水沸腾以后，把火开大，温度还会继续升高。 在 1 个标准大气压下，水沸腾时温度保持 100 °C。火开得再大，也只是让水汽化得更快。
误区 3：物态变化是化学变化。 冰、水、水蒸气都是同一种物质，物态变化没有生成新物质，是物理变化。
即时小测
下列物态变化中，需要放热的是？
凝华是气态直接变成固态，粒子靠拢，要放热。熔化、汽化、升华都是沿“固 → 液 → 气”的方向，要吸热。
在 1 个标准大气压下，正在熔化的冰水混合物的温度是？
冰是晶体，熔化时温度保持在熔点 0 °C 不变，不管冰和水各有多少。
小结
- 六种物态变化：熔化、汽化、升华吸热；凝固、液化、凝华放热。
- 汽化有蒸发和沸腾两种方式；1 个标准大气压下，冰的熔点是 0 °C，水的沸点是 100 °C。
- 加热曲线上，斜线段温度升高，水平段（熔化、沸腾）温度不变，吸收的热量用来改变粒子的排列和间隔。
- 物态变化没有生成新物质，是物理变化。
通往 AP（以后再看）
AP U6.5 会定量计算相变的能量：水的熔化热约 6.01 kJ/mol，汽化热约 40.7 kJ/mol，这正是加热曲线上沸腾段比熔化段长得多的原因。斜线段的热量用 计算（U6.4）。AP 还会问：水平段吸收的能量用来克服分子间作用力（U3.1），粒子的平均动能并没有增加。