在生活中我們時常會發現，

下過雨後的潮濕地面，

到了隔天就乾了。

或是在飲料中的冰塊，

過了不久就逐漸消失不見。

像這種同樣是水分子，

但卻有著冰塊、水、水蒸氣的三種狀態，

我們稱為物質的三態。

水分子不論是固態、液態、氣態，

都是由水分子所組成的，

但看起來有極大的差異，

這是為什麼呢？

從微觀粒子的視角出發，

可以發現物質是由粒子組成，

構成物質的粒子，

由於受到溫度、壓力的改變，

使得粒子間的距離及引力大小發生變化，

因而產生狀態的不同。

物質常見的狀態有氣態、液態及固態三種，

稱為物質的三態或三相。

固態物質中，

粒子間的吸引力很強，

粒子間緊密排列，

有固定的體積與形狀。

當我們把固態物質倒入燒杯中，

固態物質的粒子相對位置固定，

不會隨著容器而改變形狀，

如飲料杯中冰塊。

而液態中粒子間的引力比固體弱一些，

粒子間的結合較不緊密，

且粒子間相對位置不再固定，

給了粒子更多移動的空間，

有固定體積，

但沒有固定形狀。

當我們把液體倒入燒杯中，

液體的粒子會隨著容器的改變，

而改變形狀，

但總體積不變。

氣態物質中粒子間的吸引力最弱，

粒子之間的距離，

是物質三態中最大的，

沒有固定的體積與形狀，

當把氣體裝入燒杯中，

氣體粒子就會充滿整個燒杯。

以水為例，

我們在日常生活中，

經常可以看到當溫度升高時，

水的形態發生改變，

如固態遇熱會熔化成液態，

液態遇熱會再汽化為氣態。

現在，

就讓我們從粒子的角度來看看

水的三態是如何發生變化。

在一大氣壓下，

隨著溫度的增加，

冰塊的溫度逐漸上升，

到達0°C時，

雖然持續加熱，

但冰塊的溫度不再上升，

此時水分子吸收了足夠的能量，

能夠掙脫固體水分子間的吸引力。

使固體結構崩解，

拉大水分子間的距離，

成為液體。

此時我們稱 0°C這個溫度為水的「熔點」，

而水分子為了掙脫固體水分子間的吸引力，

所吸收的熱稱為熔化熱。

當冰從固態完全轉變為液態，

此液態水的溫度會開始上升，

直到液態水的溫度為100°C並且溫度不再上升，

水分子又有足夠的能量，

能夠掙脫液態水分子間的吸引力，

使水分子掙脫分子間的束縛，

拉大其分子間的距離成為氣態。

此時的溫度稱為水的沸點，

而水分子為了掙脫液體水分子間的吸引力，

所吸收的熱稱為汽化熱。

在這些狀態變化的過程，

物質並沒有改變，

只是彼此間的分子距離產生了變化。

所以物質的三態變化為物理變化。

另外有些物質也會跳過中間的液態狀態，

直接由固體變成氣體稱為昇華，

例如乾冰、樟腦和碘。

此外也有由氣體直接變成固體的情形，

例如結霜。

剛剛我們提到的熔化熱和汽化熱到底要怎麼運用呢？

還記得之前國中「溫度與熱」章節學到過的物質吸熱觀念嗎？

已知物質吸收或放出的熱量，

等於物質的比熱，

乘以物質的質量，

乘以溫度的變化。

現在請你試著回答這個問題。

當100g的水，

溫度從攝氏20°C上升至80°C，

其中水的比熱為1（卡/克‧度），

假設過程中無熱量散失，

請問這100g的水總共吸收了多少卡熱量？

吸收的熱量等於物質的比熱乘以物質的質量乘以溫度的變化等於 6000卡。

但是…不論是熔化熱或是汽化熱，

物質的溫度都沒有發生變化，

所以公式就會變成，

吸收或放出的熱量等於

莫耳熔化熱或汽化熱乘以莫耳數。

舉個例子，

當攝氏0度c的180g冰塊要完全變成攝氏0度c的水，

請問總共要吸收多少的熱量？

首先要先注意單位，

要先把180g的水轉變成莫耳數。

吸收的熱量等於莫耳熔化熱乘以莫耳數等於 59.9千焦耳。

接下來我們以壓力為縱軸、溫度為橫軸，

描述物質在所對應的壓力溫度下的狀態，

在座標中繪出所有相變所在位點，這樣的圖稱為相圖。

線段 AB 為不同壓力下水的熔點，

此時水與冰可以共存；

線段 AC 為不同壓力下水的沸點，

此時水與水蒸氣可以共存，

而三線段交點，

也就是A點，

則代表水的三態彼此可達平衡共存，

稱為三相點。

而 C 點為臨界點，

代表超過臨界點時，

氣體與液體間的界面消失，

形成單一相的狀態，

同時具有液體和氣體的特性，

此時物質即稱為超臨界流體。

當固定大氣壓力為 1大氣壓，

隨著溫度由-20°C 開始升高，

直線 EF 往右依序為固態、液態、氣態，

而當我們在山上煮東西的時候，

山上氣壓變小，

不到 1大氣壓，

我們會發現其沸點下降至80°C，

這也是在山上東西不容易煮熟的原因。

另外從二氧化碳的相圖中，

我們會發現二氧化碳在大氣壓力為 1大氣壓時，

隨著溫度的升高，

會直接由固態變成氣態，

不會經過液態的狀態，

這就是前面所提到的乾冰昇華的現象。

讓我們來統整一下今天學到的物質的三態：

從粒子的角度來看，

固體的排列緊密、

運動性小、

分子距離極小、

體積固定、

形狀也固定。

當粒子的能量足夠可以掙脫固體的結構，

就變成可以流動的液體，

在群體內自由移動，

分子間的距離略比固體間的距離大一點，

體積固定、

形狀會隨容器變化。

當粒子的能量提升到足夠能夠掙脫液體結構，

就能脫離群體單獨散布在空間中成為氣體，

此時分子間的距離極大，

體積和形狀都隨著容器變化。

最後讓我們一起來腦力激盪一下吧！

不同的液體具有不同的沸點，

請試著用今天學到的粒子觀點，

以分子間的作用力大小來解釋，

沸點比較高的物質，

是因為其分子間的作用力較大，

還是較小呢？