相與相變

相圖

把它想成一張天氣圖,只不過它標的不是哪裡晴、哪裡雨,而是哪裡物質會是固體、液體還是氣體。畫一張圖,縱軸往上是壓強,橫軸往右是溫度;然後對每一種組合,標出物質會落在哪個相。這張填滿的地圖,就是相圖。

這張圖被劃分成幾塊區域——一塊固體、一塊液體、一塊氣體——彼此用線隔開。每條線標出兩個相平衡共存的條件,所以越過一條線就意味著一次相變。這些線匯聚在兩個特殊的點:三相點,三個相在此同時共存;臨界點,液氣分界線在此戛然而止,兩者再也分不開。任挑一個壓強和溫度,在圖上找到你的位置,就能讀出此處是哪個相。

相圖是化學、地質學和材料科學的實用地圖。它告訴你要讓滅火器裡的二氧化碳保持液態需要多大壓強、為什麼溜冰鞋能滑、地底深處在什麼條件下能鍛造出鑽石、以及怎樣把咖啡凍乾。水的相圖甚至有一條出名地往左傾斜的熔化線——它的固體比液體密度還小,這正是冰會浮起來的原因。

在水的相圖上,1 個大氣壓、25 °C 那一點落在液體區域之內——這不過是用圖來確認:一杯水在那種條件下就是液態。

圖上一個點的位置告訴你相,一條線告訴你相變。

水很反常:它的固液分界線略微向左傾,意思是壓強越大、熔點反而越低。對大多數物質,這條線是向右傾的。這個怪脾氣源於冰比液態水密度更小。

又稱
相图相圖