同一种水的三副面孔
冰、液态水和水蒸气都由完全相同的分子组成。冰在你手里融化时，没有任何东西被加进来或被拿走。然而这三者的表现却截然不同：冰能保持形状，水会流动并填满杯子，水蒸气会扩散充满整个房间。它们每一个都是一个相——一种从里到外都均匀一致、各有其外观与质感的物质形态。
三种日常的相——固体、液体和气体——就是你已经熟悉的物质的状态。「相」只是物理化学家所用的更严谨的说法，因为它让我们能说得精确：同一种物质可以有好几个相，而我们可以准确地讨论它在什么时候处于其中某一个、而不是另一个。
为什么相同的分子表现得如此不同
把分子想象成一个个不停躁动的小球。有两样东西在较劲：它们之间那种轻柔的吸引——分子间作用力——试图把它们聚在一起；以及它们自身的躁动，这种运动随温度升高而增强，试图把它们甩开。
在固体里，吸引占了上风：分子被锁定在固定的邻居之间，只能原地振动，所以形状保持坚硬。在液体里，运动已经把这种束缚松开到足够程度，分子在彼此仍相互接触的情况下相互滑动——于是它会流动，却保持体积。在气体里，运动彻底胜出：分子几乎自由飞行，几乎感觉不到彼此，扩散开来填满任何容器。
所以你看到的相，不过是此刻谁占上风——是吸引还是运动。把热加大，天平就倒向运动；把东西冷却，吸引就重新掌控。这场拉锯，就是你接下来要研究的每一种变化背后的全部秘密。
越过界线：相变
当一种物质从一个相切换到另一个相——冰变成水、水变成水蒸气——它就经历了一次相变。分子本身丝毫没变；变的只是它们的排列和自由度。每一种相变都有一个熟悉的日常名字：
- 熔化——固体变液体（暖天里的冰）。反过来是凝固。
- 沸腾／蒸发——液体变气体（水壶冒蒸汽）。反过来是凝结（冷玻璃上的露水）。
- 升华——固体直接变气体，跳过液体（干冰冒烟，晴冷天里积雪不见了）。
注意这些都是成对出现的，正向和反向。地图上的同一条线，根据你是在加热还是冷却，会从两个方向被越过。再过几级阶梯，我们就会画出那张地图——相图。
那锅拒绝继续升温的水
这里有个值得停下来想想的谜题。把温度计插进沸水里，把炉火开到最大。水沸腾得更猛烈了——但温度计却停在大约 100 °C 不动。如果那些额外的热没有用来升高温度，它们都跑到哪去了？
答案是：它被花在了相变本身上。把分子从相互依附的液体里拽出来、送进自由的气体，是要付出能量的——这些能量用来挣脱吸引，而不是用来加快躁动。这种相变中隐藏的能量叫做潜热：之所以「潜」，是因为它藏起来了，在相变进行期间不带来任何温度上升。
为什么这件事处处重要
相和它们的相变，悄无声息地贯穿日常生活。汗水让你凉快，是因为蒸发的水把潜热从你皮肤上带走。冰箱和空调通过让一种流体在沸腾与凝结之间循环来搬运热量。云、霜和雪，都是水的相变在天空中上演。
这条阶梯上的一切，都建立在本篇这幅简单图景之上：物质以相的形式存在，相变在它们之间移动，而每越过一条线总要付出能量的代价。掌握了这三个观念，你就准备好给它们配上数字了。