相变与临界现象
相变
把一锅水加热,很长一段时间里没什么戏剧性的事发生——它只是变暖。然后,恰好在 100°C,有个开关被拨动了:水开始沸腾,化作蒸汽。这种因为轻轻拨动温度或压强,而从一种物态突然变成明显不同的另一种物态,就是相变。
「相」是物质按某一种特定方式组织起来的状态——冰,原子被锁死在僵硬的图案里,是一个相;液态水,分子彼此滑动着错过,是另一个相。相变就是这样一个点:条件的微小改变,把整团物质从一种排布整个推向另一种排布。最叫人惊讶的是它能有多突然:相差不到一度,就把固态的冰和流动的水分隔开,尽管两者由完全相同的分子构成。之所以会发生转变,是因为在转折点上,两种排布在能量和无序程度上的代价恰好相等,于是天平整体倾倒。
相变之所以重要,是因为它无处不在——沸腾、结冰、磁铁受热失去磁性、金属遇冷变成超导体。一个常见的误解是,相变只意味着固、液、气之间的转换。其实物质还能以更微妙的方式改变,比如突然变得有序或带上磁性,物理学家把这一切都算作相变。
把一盘水放进冰箱冷冻,盯着温度看。它会稳稳地往下降,直到碰到 0°C,然后就在那里停滞好久——尽管热量还在不断流走。那一段平坦的停滞,就是相变,水正在变成冰。要等到全部冻牢之后,温度才会重新往下掉。
在相变期间,即使热量还在流动,温度也可能停滞——那能量被用来重新排布物质,而不是加热它。
并非物质的每一次变化都是相变。慢慢加热一团气体,只是让它变成更热的气体——仍然是同一个相。相变需要物质组织方式发生真正的切换,而且常常是在某个特殊的温度或压强上骤然发生。
又称
另见