同學們 你知道組成冰的H2O分子 和組成液態水的H2O分子 和組成水蒸氣的H2O分子 有什麼不同的地方嗎 冰 水 水蒸氣是水的三態 冰受熱會熔化變成水 水受熱會汽化變成水蒸氣 而對大多數物質來說 是會遵守熱脹冷縮的現象 也就是說物質受熱體積會膨脹 遇冷體積會縮小 所以水的三態變化 體積也是熱脹冷縮嗎 那麼 三態中的H2O分子是否也是愈變愈大呢 不是這樣的 水分子不應該長大 讓我們以微觀分子的角度來看看 水的三個不同狀態下到底有什麼差別吧 首先我們發現當冰受熱改變狀態時 H2O分子內的H原子和O原子之間的化學鍵並沒有被破壞 請同學仔細觀察一下 到底是什麼因素導致水發生三態之間的轉變呢 沒錯 是H2O分子間的排列方式改變了 原本在冰中的H2O分子排列整齊 變成液態水的凌亂排列 而水蒸氣中的H2O分子距離散得更開 同時也轉動 振動更為劇烈 如果將純水置於-20°C的冷凍庫中製成冰塊 再將冰塊置於燒杯中以穩定的熱源緩慢的加熱 並於加熱過程中記錄下不同時間點燒杯中物質的溫度 並以加熱時間為橫座標 溫度為縱座標 繪製出水的加熱曲線 我們先把圖中的起點與每個轉折點標示為A~F 再將每兩個轉折點之間標示為I~V階段 並且對應物質三態轉變的重要名詞 同學是否能發現A~F過程所經歷I~V階段 分別涉及哪些狀態改變的名詞呢 我們會發現A~B所對應的第I階段 其狀態為固態的冰 因未牽涉到相態的變化 所以燒杯中的溫度會隨加熱時間而上升 而B~C所對應的第II階段 其狀態為冰水共存 因牽涉到相態的改變 所以溫度不會隨加熱時間增加而上升 熱源所提供之熱量用於相態轉變 所以隨加熱的時間增加 會有愈來愈多的冰塊熔化成水 故此溫度稱為熔點或凝固點 C~D所對應的第III階段為液態水的範圍 與第I區情況類似 所以燒杯中的溫度會隨加熱時間而上升 D~E所對應的第IV階段 其狀態為液態水與水蒸氣共存 與第II區情況類似 所以溫度不會隨加熱時間增加而上升 隨加熱的時間增加 會有愈來愈多的液態水快速大量地汽化成水蒸氣 故此溫度稱為沸點 E~F所對應的第V區 其狀態為氣態的水蒸氣 因未牽涉到相態的變化 所以燒杯中的溫度會隨加熱時間而上升 但三相轉變中還有昇華未表示出來 昇華表示的應該是固態不經由熔化成液體的過程 直接轉變成氣體 國中時所學到乾冰就是一個典型的例子 在一大氣壓的狀態下 固態的二氧化碳不會熔化成液態二氧化碳 就可以直接昇華 其實一般冰塊在接近真空的條件下 亦可以發生昇華的現象 此為食品工業上常用來製作 即溶咖啡或即溶奶粉所使用的冷凍乾燥技術 從上述的加熱曲線中我們可以發現 I III V階段的溫度是隨時間改變的 而階段II IV兩階段的溫度則是固定不變的 溫度象徵著物質的動能展現 溫度升高代表分子動能增加 溫度降低則代表分子動能減少 所以當溫度升高時 會把能量轉換成水分子的動能 使水分子轉動 振動與移動的動能總和增加 但II IV兩階段一樣使用相同的熱源加熱 溫度卻不上升 能量轉移到哪裡去了呢 此階段所提供的能量用來破壞分子間的作用力 也就是提高了位能 我們再回顧一下冰塊 液態水與水蒸氣分子模型結構 固態的冰塊 水分子規則排列整齊 具有一定的距離 但是液態的水分子之間不規則堆積 相對來說比較靠近 在熔化的過程中能量用於破壞水分子間的分子間作用力 使水分子不再整齊堆積 所以冰塊熔化成水時 體積會縮小 密度會變大 但是當液態水汽化成水蒸氣時 能量會用於拉開水分子間的距離 使水分子不再彼此靠近 可於三度空間中自由的移動 增加分子間的位能 另外 水的汽化有兩種模式蒸發與沸騰 兩者代表什麼含意呢 於沸點時快速大量的汽化 我們稱為沸騰 此時水的飽和蒸氣壓等於外界的大氣壓力 所以水才可以快速大量的汽化 那蒸發又是什麼呢 在未達沸點的任何溫度下 液態的水從表面緩慢的汽化成水蒸氣 所以蒸發的行為並不一定要發生在特定的溫度 但蒸發的行為僅可發生於液體的表面 最後 讓我們再看一次水的加熱曲線圖 仔細想想是否還隱藏著甚麼資訊 我們會發現第III階段C~D的斜線斜率比較小 而第V階段E~F的斜線斜率最大 斜率大小又能代表什麼意義呢 斜率大代表提供相同熱量時 溫度上升的比較快 相對來說 斜率小代表溫度較不容易上升 此性質與單位質量的物質上升1°C所需要的熱量有關 此即為比熱的概念 所以我們可得知水在三種狀態比熱大小關係 應為液態＞固態＞氣態 且第IV階段D~E之間與水汽化所需的熱量大小有關 可推得汽化熱 第II階段B~C之間代表著冰熔化所需的熱量 可推得熔化熱 由兩個加熱時間比較我們可以發現第IV階段的時間較第II階段長 所以相同質量的水 汽化所需的熱量大於熔化所需的熱量 換句話說 水的汽化熱＞冰的熔化熱 看完了影片 你是否對水的加熱曲線有更深入的了解了呢 歡迎在下方留言區分享你的延伸思考答案 我們下次見