相变与潜热
给冰加热,温度一路上升——到 0 °C 就停住,冰在熔化。到 100 °C 沸腾时又是如此。这些平坦的平台就是潜热:能量用于改变物态,而不是升高温度。
给冰加热,温度一路上升——到 0 °C 就停住,冰在熔化。到 100 °C 沸腾时又是如此。这些平坦的平台就是潜热:能量用于改变物态,而不是升高温度。
相变是物质在固态、液态、气态之间的转换:冰熔化成水、水沸腾成蒸汽,以及冷却时的反向过程。相变特别之处在于,它会在温度完全不动的情况下吸收或放出大量能量。
左侧,加热板上的烧杯同时展示三种状态——冰、水、蒸汽。右侧的加热曲线把温度对吸热量画出来。倾斜的段落是物质在单纯升温;两段平坦的平台则是相变,分别标在 0 ℃(熔化)和 100 ℃(沸腾)。平台所代表的能量就是潜热。
潜热让蒸汽成为极佳的载能介质,让出汗能帮你降温,也让冰箱把热量搬出温暖的厨房。任何靠蒸发或冷凝工作的设备都离不开它。
开始时烧杯里是冰。它还冷时,加入的能量直接用于让冰分子振动得更快,所以温度上升——这就是曲线最开始那段斜坡。
到了 0 ℃ 温度不再上升。此时能量用于把分子从刚性的冰晶格中撬出来、变成液体,而不是让它们加速,因此温度计停住不动,固体与液体并存。这第一段平台就是熔化潜热。
当最后一点冰也熔化完,加入的能量除了用来再升温已无处可去。曲线重新向上倾斜,水从 0 ℃ 一路升向 100 ℃。
到了 100 ℃ 出现第二段平坦的平台,而且更长。能量正被用来把水分子彻底分开、变成蒸汽跑掉——这就是汽化潜热;它远大于熔化潜热,因为完全分离比单纯松开要多花得多。
水全部变成蒸汽后,曲线最后一次向上倾斜:同样自由的水分子现在只是运动得更快,于是蒸气的温度继续升高。
潜热是相变——熔化、凝固、沸腾或凝结——过程中吸收或放出、却不改变温度的能量。它用于重新排布粒子,而不是让粒子跑得更快,所以物态在变、温度计却停着不动。
因为此时加入的能量被用来拆开刚性的冰晶格、变成液体,而不是让分子运动更快。在冰全部熔化之前,额外的能量只是改变固液比例,温度就停在熔点。
熔化只是让晶格松开、分子能相互滑过;沸腾却要把分子彻底拉开、变成气体跑掉。这种完全分离耗能大得多,所以沸腾的平台比熔化的平台长很多。
能。沸点取决于压强:压强越低,水在越低的温度就沸腾,所以高压锅煮得更快、高山上则更慢。100 ℃ 只是标准海平面气压下的数值。
温度衡量物体有多热;热量是由于温差而转移的能量。在相变过程中,大量热量进出,而温度——也就是有多热——却保持不变。
冰箱和空调靠工质蒸发与冷凝来搬运热量;出汗靠蒸发让人降温;蒸汽供暖和冰袋都依赖水巨大的潜热。