傳說有一位非常厲害的女巫具有操縱水的能力

可運用一顆神奇的果實

瞬間轉換了海水的型態

把整個世界變得冰天雪地

你知道這其中的科學原理嗎？

首先

我們必須知道水有三種型態變化

分別是固態、液態、氣態

彼此之間有一個循環

讓這三種型態可以相互轉換

這其中的能量狀態也有所不同

不同的溫度以及壓力條件

會形成不同的「相」

只要瞭解其中的奧妙

就可以知道女巫

是如何掌握神奇果實的特殊能力喔！

我們就從生活中最常見的水循環開始吧

海水從表面吸收太陽能

就會蒸發到空氣中

隨著水蒸氣越飄越高

高空溫度越來越低

慢慢地就會凝結成小水珠

等到小水珠找到一個空氣中的晶核之後

就會開始聚集

之後就會用雨或是雪的型態降落

變成河流或是地下水再流到海裡面

這樣的一個簡單循環

我們就稱之為水循環

所以從水循環就可以知道

水在循環的過程中

也會有相的變化

這其中吸熱放熱的關係

也是可以反向推回去的

接下來讓我們先複習水的加熱曲線

圖片中若是從左邊看到右邊

就是固相、液相、氣相

隨著能量的吸收

會逐漸相變

中間水平線的部分

就是其中兩個相共存的時候

可能是冰跟水共存

或是水跟水蒸氣共存

在加熱曲線之兩相共存的區間

持續加熱的過程

水仍然不斷吸收能量

並將能量用於改變水分子排列狀態

在固相時

水分子會緊密結合

整齊堆積

如果要將它們分開

就需要額外的能量讓水分子

從整齊堆積的冰晶

變成凌亂排列且自由移動的液態

所以從固相到液相是需要加熱

變成液相之後

水分子變得比較自由

可自由移動了

但水分子之間還是有分子間作用力的羈絆

將它們連結在一起

所以要將它們分開

一樣需要用到額外的能量

因此

從液相變成氣相也需要加熱喔！

這就是三種相之間的能量變化

我們稱之為分子間的位能變化

請問在加熱曲線中

有加熱但是溫度卻沒有升高的

是哪兩個區間？

代表什麼意義呢？

剛才提到

溫度跟壓力也會影響相的變化

那我們就來看看下列這張水的相圖

其中橫座標為攝氏溫度

縱座標為壓力

藍色區塊是固相

白色區塊是液相

黃色區塊是氣相

進一步解讀這張圖

我們會發現當固定壓力為一大氣壓時

可以看到從固相到液相需要升高溫度

液態到氣態也需要升高溫度

而如果我們將溫度固定於100°C

可以看到從氣相變成液相需要加壓

瞭解了相圖的意義後

接著我們來認識蒸氣壓

蒸氣壓就是液相蒸發成氣體之後

所形成的氣體壓力

若從微觀的世界來說

就是在密閉系統之中

蒸氣的粒子撞擊容器所形成的壓力

而液體變成氣體的現象又稱為汽化

汽化包含蒸發作用與沸騰

蒸發作用跟沸騰不同的是

蒸發是可以發生在任何溫度的表面液體汽化現象

例如把水加入在未加蓋的杯子中

一段時間之後杯內的水會蒸發乾掉

但若將液體放置一密閉的真空容器中

液體表面高動能的分子

會開始脫離表面蒸發成蒸氣

另外已知蒸發速率與液面的本性有關

因在密閉容器中

液體未發生改變

所以蒸發速率為定值

當蒸氣分子碰撞液體的表面時

低動能的蒸氣分子可凝結成液體

密閉容器中蒸氣分子愈多

凝結的速率會愈大

當凝結速率等於蒸發速率時

即達到動態平衡

此時容器中氣體的分子數不再改變

也就是說在定溫的密閉容器中

液態-氣態達動態平衡的蒸氣壓

就是飽和蒸氣壓喔！

空氣中也含有水蒸氣

就是所謂的溼度

為了表達空氣濕度大小

科學上就用水的飽和蒸氣壓來定義相對濕度

相對溼度的定義

為空氣中水蒸氣的分壓

與相同溫度時水飽和蒸氣壓的百分比

簡單地說

單位體積空氣所含的水分子越多

相對濕度就越高

回到課程開頭的故事

其實女巫也不具有什麼超能力

她僅是注意到氣象報導

得知當天會有強烈冷氣團影響天氣

在冷氣團低溫冷風的吹拂下

迅速帶走環境的熱量

使氣溫迅速降至0°C以下

造成天寒地凍、冰天雪地的狀況

不過以科學的觀點而言

在短時間內要迅速降溫

其實也不太可能就是了

讓我們來總結一下這支影片的學習內容

在微觀粒子的世界中

動能和位能的關係密不可分

加熱溫度升高

會讓動能增加

而狀態改變則是位能的變化

蒸發可以發生在任何溫度下

其主要發生在液體的表面粒子汽化

且無氣泡生成

科學上用飽和蒸氣壓定義相對溼度

生活中應用相對濕度的例子

如下雨天晾衣服不容易乾

就是因為空氣中的水分子已經太多了

當相對濕度太高

會使水氣凝結的速度變快

衣服不容易乾

最後讓我們想一想

天空的雲是如何形成呢？

其原理用到今天的相圖

還有蒸氣壓

歡迎在影片下方留言告訴我們答案

我們下次見囉！掰掰