同一種水的三副面孔
冰、液態水和水蒸氣都由完全相同的分子組成。冰在你手裡融化時，沒有任何東西被加進來或被拿走。然而這三者的表現卻截然不同：冰能保持形狀，水會流動並填滿杯子，水蒸氣會擴散充滿整個房間。它們每一個都是一個相——一種從裡到外都均勻一致、各有其外觀與質感的物質形態。
三種日常的相——固體、液體和氣體——就是你已經熟悉的物質的狀態。「相」只是物理化學家所用的更嚴謹的說法，因為它讓我們能說得精確：同一種物質可以有好幾個相，而我們可以準確地討論它在什麼時候處於其中某一個、而不是另一個。
為什麼相同的分子表現得如此不同
把分子想像成一個個不停躁動的小球。有兩樣東西在較勁：它們之間那種輕柔的吸引——分子間作用力——試圖把它們聚在一起；以及它們自身的躁動，這種運動隨溫度升高而增強，試圖把它們甩開。
在固體裡，吸引佔了上風：分子被鎖定在固定的鄰居之間，只能原地振動，所以形狀保持堅硬。在液體裡，運動已經把這種束縛鬆開到足夠程度，分子在彼此仍相互接觸的情況下相互滑動——於是它會流動，卻保持體積。在氣體裡，運動徹底勝出：分子幾乎自由飛行，幾乎感覺不到彼此，擴散開來填滿任何容器。
所以你看到的相，不過是此刻誰佔上風——是吸引還是運動。把熱加大，天平就倒向運動；把東西冷卻，吸引就重新掌控。這場拉鋸，就是你接下來要研究的每一種變化背後的全部秘密。
越過界線：相變
當一種物質從一個相切換到另一個相——冰變成水、水變成水蒸氣——它就經歷了一次相變。分子本身絲毫沒變；變的只是它們的排列和自由度。每一種相變都有一個熟悉的日常名字：
- 熔化——固體變液體（暖天裡的冰）。反過來是凝固。
- 沸騰／蒸發——液體變氣體（水壺冒蒸汽）。反過來是凝結（冷玻璃上的露水）。
- 昇華——固體直接變氣體，跳過液體（乾冰冒煙，晴冷天裡積雪不見了）。
注意這些都是成對出現的，正向和反向。地圖上的同一條線，根據你是在加熱還是冷卻，會從兩個方向被越過。再過幾級階梯，我們就會畫出那張地圖——相圖。
那鍋拒絕繼續升溫的水
這裡有個值得停下來想想的謎題。把溫度計插進沸水裡，把爐火開到最大。水沸騰得更猛烈了——但溫度計卻停在大約 100 °C 不動。如果那些額外的熱沒有用來升高溫度，它們都跑到哪去了？
答案是：它被花在了相變本身上。把分子從相互依附的液體裡拽出來、送進自由的氣體，是要付出能量的——這些能量用來掙脫吸引，而不是用來加快躁動。這種相變中隱藏的能量叫做潛熱：之所以「潛」，是因為它藏起來了，在相變進行期間不帶來任何溫度上升。
為什麼這件事處處重要
相和它們的相變，悄無聲息地貫穿日常生活。汗水讓你涼快，是因為蒸發的水把潛熱從你皮膚上帶走。冰箱和空調透過讓一種流體在沸騰與凝結之間循環來搬運熱量。雲、霜和雪，都是水的相變在天空中上演。
這條階梯上的一切，都建立在本篇這幅簡單圖景之上：物質以相的形式存在，相變在它們之間移動，而每越過一條線總要付出能量的代價。掌握了這三個觀念，你就準備好給它們配上數字了。