物质的相变 - 课件

物质的相变物质的相变是物理化学中的重要概念，它描述了物质从一种状态转变为另一种状态的过程这个过程涉及到能量的吸收或释放，温度的变化，以及物质结构和性质的改变在这个课程中，我们将深入探讨物质相变的基本原理、类型、能量变化以及在自然界和工业中的应用通过学习物质的相变，我们可以更好地理解周围世界中发生的许多自然现象和工业过程课程目标理解相变基本概念分析相变现象12掌握物质相变的定义、类型以能够识别和解释日常生活和自及相关术语，建立对物质状态然界中的各种相变现象，理解变化的基本认识，理解相变过相变对环境和生态系统的影响程中的能量转换原理，培养科学观察和分析能力应用相变知识3了解相变材料及其在能源存储、建筑节能等领域的应用，认识相变技术在工业生产和科学研究中的重要性，培养将理论知识应用于实际问题的能力什么是相变？状态转变分子排列变化能量交换相变是指物质从一种物态（相）转变为另在相变过程中，物质的分子排列方式发生相变过程中通常伴随着能量（通常以热量一种物态的过程如水在不同温度下可以变化例如，从固态到液态的转变涉及分形式）的吸收或释放例如，冰融化时吸存在为固态（冰）、液态（水）或气态（子有序排列向无序排列的转变收热量，水蒸气凝结时释放热量水蒸气）相变的定义科学定义热力学角度微观解释相变是指物质在保持化学成分不变的情从热力学角度看，相变是指系统在吸收微观上，相变涉及分子或原子间相互作况下，从一种物理状态（相）转变为另或释放能量（通常是热能）的过程中，用力的变化和分子运动方式的改变例一种物理状态的过程这种转变通常伴其熵、焓和自由能等热力学函数发生不如，从固态到液态的转变涉及分子间作随着物质的物理性质（如密度、流动性连续变化的现象在相变点，共存的两用力的减弱，使分子能够相对自由地移、分子排列等）的突变相处于热力学平衡状态动相变的类型固液相变液气相变包括熔化（固体→液体）和凝固（液体1包括气化（液体→气体）和液化（气体固体）两种过程液体）两种过程→2→其他相变固气相变4包括同素异形体转变、磁相变、超导相包括升华（固体气体）和凝华（气体→3变等固体）两种过程→相变可以根据吉布斯自由能的连续性分为一级相变和二级相变一级相变（如熔化、气化等）涉及潜热和体积的突变，而二级相变（如铁磁转变、超导转变等）则没有潜热，但物质的某些物理性质（如热容、磁化率等）发生突变固体与液体之间的相变熔化固液→1吸收热量，分子运动增强，规则排列被破坏凝固液固→2释放热量，分子运动减弱，形成规则晶格结构影响因素3温度、压力、杂质含量、晶体结构等固液相变是日常生活中最常见的相变类型之一在这一过程中，分子间作用力与分子热运动之间的平衡被打破，导致物质状态的改变固-液相变通常发生在特定的温度（熔点）下，但受压力等因素影响凝固过程中，物质释放的热量称为凝固热，其值与熔化热相等但符号相反这种热量交换使得相变过程在熔点凝固点处可以保持温度恒定/，直到相变完全完成熔化热量吸收物质吸收热量，分子获得额外的能量，其动能增加，开始更剧烈地振动晶格破坏当分子获得足够的能量时，它们克服晶格内的束缚力，晶格结构开始被破坏流动性产生分子间距增大，分子能够相对自由地移动，物质获得流动性，转变为液态熔化是固体吸收热量转变为液体的过程对于结晶物质，熔化通常在特定温度（熔点）下进行，在整个熔化过程中温度保持不变非晶态物质（如玻璃、塑料）则没有明确的熔点，而是在一个温度范围内逐渐软化影响熔点的因素包括物质的化学成分、分子间力的强弱、晶体结构的稳定性、压力大小以及杂质的存在通常，分子间力越强、晶体结构越稳定的物质，其熔点越高凝固冷却过程1液体释放热量，分子动能减小，分子运动速度减慢晶核形成2当温度降至凝固点时，分子运动减慢到足以形成稳定的分子聚集体（晶核）晶体生长3晶核继续吸引周围分子，形成规则的晶格结构，液体逐渐完全转变为固体凝固是液体释放热量转变为固体的过程，是熔化的逆过程理论上，纯物质的凝固点应与其熔点相同凝固过程会释放能量（凝固热），这使得凝固过程可以维持在一个恒定的温度下进行，直到所有液体都转变为固体过冷现象是指液体温度低于其凝固点而仍保持液态的现象这通常发生在非常纯净的液体中，因为缺乏晶核形成的位点一旦引入晶核（如震动或加入固体颗粒），过冷液体会迅速凝固并释放热量液体与气体之间的相变蒸发液气沸腾液气凝结气液→→→液体表面分子获得足够能量，克服分当液体内部形成气泡并上升到表面时气体分子失去能量，分子间距减小，子间引力逃逸成为气体分子蒸发可发生的剧烈气化过程沸腾发生在特分子间引力增强，形成液体的过程在任何温度下进行，是一个缓慢的表定温度（沸点），是整个液体体积参凝结会释放与气化吸收相等的热量面现象蒸发速率受温度、表面积、与的现象沸点受压力影响显著常见于水蒸气遇冷表面形成水滴气流和湿度等因素影响蒸发温度影响气流影响表面积影响温度越高，液体分子平气流可以带走液体表面蒸发是表面现象，液体均动能越大，具有足够上方的气体分子，降低表面积越大，在单位时能量逃逸的分子数量越气体分子密度，减小气间内能够蒸发的分子数多，蒸发速率越快这体分子回到液体的概率量越多，蒸发速率越快就是为什么热水比冷水，从而加速蒸发过程这就是为什么晾晒衣蒸发得更快这就是为什么刮风天衣物时要展开服干得更快沸腾剧烈气化整个液体体积同时参与的快速相变过程1气泡形成2液体内部形成气泡，浮力使气泡上升至表面饱和蒸气压3当液体内部的蒸气压等于外界压力时，气泡能够稳定存在沸点条件4特定压力下，液体沸腾的特定温度沸腾是一种剧烈的液-气相变过程，发生在液体内部而非仅表面当液体被加热到一定温度时，其内部开始形成气泡，这些气泡上升到表面并释放出气体沸腾过程中温度通常保持恒定，所加入的热量全部用于相变过程沸点与外界压力密切相关压力增大，沸点升高；压力减小，沸点降低这就是为什么高海拔地区水的沸点低于100℃，而压力锅中的沸点高于100℃沸点与分子间作用力也有关，分子间作用力越强，沸点越高凝结凝结是气体转变为液体的过程，是蒸发和沸腾的逆过程当气体分子失去足够的动能时，分子间的引力将使它们聚集在一起形成液体这一过程通常发生在气体被冷却或压缩时凝结过程中会释放能量，这些能量称为凝结热凝结热的值与相同量物质气化所需的热量相等，但符号相反凝结现象在日常生活中很常见，如冷饮杯外壁的水珠、浴室镜子上的雾气、清晨的露珠等，都是空气中水蒸气凝结的结果固体与气体之间的相变升华固气→固体直接转变为气体的过程，跳过液态阶段这需要分子获得足够的能量以克服分子间的吸引力，直接逃逸到气态升华过程吸收热量凝华气固→气体直接转变为固体的过程，跳过液态阶段这发生在气体分子迅速失去能量，分子间作用力足以使它们直接形成规则排列的固态结构凝华过程释放热量应用实例干冰（固态二氧化碳）在常压下直接升华为气体；冬季雾凇是水蒸气直接凝华在树枝上形成的美丽冰晶；冷冻干燥技术利用升华原理保存食品升华

0101.3标准压力升华压某些物质在标准压力下会直接从固态转变为气态单位为千帕，表示固体直接变为气体时的平衡蒸，如干冰（固态二氧化碳）在-

78.5℃时直接升气压华51升华热单位物质量的固体完全升华所需的热量，单位为千焦/摩尔升华是固体直接转变为气体的过程，跳过液态阶段这一现象通常发生在那些分子间作用力相对较弱的物质中，或者在特定的温度和压力条件下，使液态相变得不稳定常见的升华现象包括干冰（固态二氧化碳）在常温常压下直接变为气体而不形成液体；卫生球（萘）缓慢升华发出香味；冬季冰雪在阳光下减少而无明显融化现象升华过程的应用包括冷冻干燥食品和药品、某些化学提纯方法等凝华温度℃水蒸气凝华速率凝华是气体直接转变为固体的过程，跳过液态阶段这一过程也称为析出或沉积当气体分子迅速失去能量并直接排列成固体晶格结构时，就会发生凝华现象凝华过程中会释放能量，称为凝华热凝华在自然界中的典型例子包括冬季霜冻（水蒸气直接凝华成冰霜）、雪花形成（高空水蒸气直接凝华成冰晶）以及美丽的雾凇（过冷雾滴在接触物体表面时直接凝华成冰晶）在工业上，凝华被用于某些镀膜技术和材料制备过程相变的能量变化熔化吸热凝固放热固体熔化为液体时吸收热量，分子势能增液体凝固为固体时释放热量，分子势能减加，分子间距增大12小，分子间距减小凝华放热汽化吸热气体凝华为固体时释放热量，能量变化液体汽化为气体时吸收大量热量，分子63等于凝结热与凝固热之和势能显著增加，分子间距大幅增大升华吸热凝结放热54固体升华为气体时吸收热量，能量变化等气体凝结为液体时释放大量热量，分子势于熔化热与汽化热之和能显著减小，分子间距大幅减小潜热的概念潜热定义潜热类型物理意义潜热是指物质在相变过程中吸收或释放根据不同的相变过程，潜热可分为熔从分子角度看，潜热代表了打破或形成的热量，而在此过程中物质的温度保持化热（固体液体）、凝固热（液体分子间作用力所需的能量例如，熔化→→不变这种热量被用来改变物质的相态固体）、汽化热（液体气体）、凝结热用于破坏固体的晶格结构，使分子获→，而不是提高其温度潜热反映了分子热（气体液体）、升华热（固体气得更大的运动自由度；汽化热则用于使→→间作用力的强弱和相变过程中分子位置体）和凝华热（气体固体）同一种液体分子完全克服分子间引力，成为相→变化所需的能量物质的熔化热和凝固热、汽化热和凝结互独立的气体分子热、升华热和凝华热在数值上相等但符号相反熔化热物质熔点℃熔化热kJ/kg水H₂O0334铅Pb

327.523铝Al660396铜Cu1083205铁Fe1535289钨W3422184熔化热是单位质量的固体完全熔化为液体所需吸收的热量，在相变过程中温度保持不变熔化热的大小与物质的分子结构、分子间作用力的强弱以及晶格结构的稳定性有关通常，分子间作用力越强、晶格结构越稳定的物质，其熔化热越大冰的熔化热相对较大（334kJ/kg），这一特性对地球气候调节和生物生存有重要意义冰雪融化时吸收大量热量，可以缓解春季温度剧烈变化；同时，水在凝固时释放的热量也能减缓冬季温度下降的速度，为生物提供更稳定的生存环境气化热气化热是指单位质量的液体完全汽化为气体所需吸收的热量，在相变过程中温度保持不变气化热通常远大于同种物质的熔化热，这是因为气化过程需要完全克服分子间的引力，使分子完全分离并获得充分的动能水的气化热特别大（2260kJ/kg），这使得水能够在蒸发过程中吸收大量热量，从而起到降温作用这一特性被广泛应用于自然界和人类活动中植物通过蒸腾作用调节温度；人体通过出汗蒸发散热；冷却塔利用水蒸发散热；沙漠地区使用陶罐冷水等传统降温方法相变温度熔点（凝固点）沸点物质从固态转变为液态（或相反液体的饱和蒸气压等于外界压力）的特定温度在该温度下，固时的温度，此时液体开始沸腾相和液相可以共存于平衡状态沸点强烈依赖于外界压力压力对于纯物质，在一定压力下，熔增大，沸点升高；压力减小，沸点是一个确定的温度值熔点受点降低这就是为什么高海拔地压力影响，通常压力增大导致熔区水的沸点低于100℃，而压力锅点升高（水是一个重要例外）中水的沸点高于100℃三相点物质的固相、液相和气相三种状态共存于平衡的特定温度和压力条件例如，水的三相点为℃和三相点是物质的物理常数，通常被用

0.

01611.2Pa作温标的校准点熔点定义熔点是固体在一定压力下开始熔化的温度，在这个温度下固相和液相共存于平衡状态对于纯物质，熔点是一个确定值；对于混合物，通常有一个熔化温度范围影响因素分子间力越强，熔点越高；晶体结构越稳定，熔点越高；杂质存在通常导致熔点降低；压力增大时，大多数物质的熔点升高（水是重要例外）测定方法常用方法包括毛细管法、热分析法、差示扫描量热法等测定物质熔点可以帮助鉴定物质纯度和辨别不同物质水的熔点反常现象大多数物质在固态时密度大于液态，但水在℃以下结冰时体积反而0增大，密度减小（冰浮在水面上）这对地球生态有重要意义，使得水体表面结冰而底部仍保持液态，有利于水生生物冬季生存沸点物质常压沸点℃沸点与分子量关系氢H₂-

252.9分子量小，分子间力弱，沸点极低氧O₂-

183.0分子量较小，沸点低水H₂O

100.0分子量小但有氢键，沸点反常偏高乙醇C₂H₅OH

78.3含氢键，沸点较高汞Hg

356.7金属键作用，沸点高铁Fe2862金属键强，沸点极高沸点是液体转变为气体时的特定温度，在该温度下，液体的饱和蒸气压等于外界压力沸点与外界压力密切相关压力增加，沸点升高；压力减小，沸点降低这一原理被应用于压力锅（提高沸点加速烹饪）和真空蒸馏（降低沸点避免热分解）等技术中沸点的大小主要取决于分子间的作用力离子键＞金属键＞氢键＞偶极-偶极作用力＞范德华力在相似结构的物质中，分子量越大，沸点通常越高水的沸点（100℃）相对于其分子量而言异常高，这是由于水分子间存在强氢键作用三相点定义与特性水的三相点其他物质的三相点三相点是指物质的固相、液相和气相三种水的三相点温度为

0.01℃，压力为二氧化碳的三相点温度为-

56.6℃，压力状态共存于平衡的特定温度和压力条件

611.2Pa（约为标准大气压的

0.6%）在为

5.11atm这意味着在标准大气压下，三相点是物质的物理常数，由物质的分子这个条件下，冰、水和水蒸气可以同时存液态二氧化碳不能稳定存在，固态二氧化特性决定，不受外界条件影响在相图上在并保持平衡水的三相点被用作定义热碳（干冰）直接升华为气体不同物质的，三相点是固-液、液-气和固-气三条相力学温标的参考点，被定为

273.16K三相点差异很大，反映了它们分子特性和边界线的交点分子间作用力的不同相图相图定义相图要素相图应用相图是描述物质在不同温度、压力等条相图通常包含以下要素相区（表示物相图在材料科学、地质学、冶金学等领件下存在的相态及其相互转变关系的图质以单一相态存在的区域）、相边界线域有广泛应用它可以指导材料处理工表最常见的相图是温度-压力相图，横（表示两相共存的条件）、三相点（三艺的选择，预测物质在特定条件下的状轴为温度，纵轴为压力，图中的曲线表相共存的点）和临界点（超过此点后液态，以及理解自然界中的相变现象，如示不同相之间的平衡边界相和气相不再有明显区别）岩浆凝固、矿物形成等水的相图温度℃冰-水边界压力MPa水-水蒸气边界压力MPa水的相图具有几个独特特点其固-液相边界线的斜率为负，这与大多数物质不同，说明冰在压力增加时融点降低这是因为水结冰时体积增大，密度减小，施加压力会抑制体积增大的趋势，促使冰融化水的相图中存在多种不同的冰相，在不同的高压条件下，水分子可以形成至少17种不同的冰晶体结构这些高压冰相（冰II至冰XVII）与常见的冰I不同，有些甚至比水更重水的临界点为374℃和

22.1MPa，超过此点后液态水和水蒸气将不再有明显区别，形成超临界流体状态二氧化碳的相图液态区域固态区域1中温高压区域，需要个大气压以上才能存

5.1低温高压区域，二氧化碳以干冰形式存在2在液态超临界区域气态区域43高温高压区域，超过

31.1℃和

73.9个大气压常温常压下，二氧化碳以气体形式存在二氧化碳的相图显示，在标准大气压下，二氧化碳不能以液态存在当温度降至℃时，气态二氧化碳直接转变为固态（干冰）这就是为什么-

78.5干冰在常温常压下直接升华而不融化的原因只有当压力超过个大气压时，固态二氧化碳才能融化为液态

5.1二氧化碳的三相点为℃和个大气压，临界点为℃和个大气压超过临界点后，二氧化碳成为超临界流体，兼具气体的流动性和-

56.

65.

1131.

173.9液体的溶解能力，广泛应用于超临界萃取技术，如脱咖啡因咖啡和中药有效成分提取等相变材料能量存储特性应用广泛性12相变材料能够在相变过程中吸相变材料在建筑节能、温度调收或释放大量的热能，而温度节、热管理、太阳能利用、食几乎保持不变这种特性使它品保鲜等领域具有广泛应用前们成为理想的热能存储材料，景它们可以减少能源消耗，可以在能量供应和需求之间建降低碳排放，提高系统效率和立桥梁，提高能源利用效率产品性能发展前景3随着能源危机和环境问题的日益严重，相变材料作为一种绿色环保技术正受到越来越多的关注新型相变材料的研发、性能改进和应用拓展已成为材料科学和能源领域的热点研究方向相变材料的定义能量存储媒介温度调节器特殊功能材料相变材料是一类能够在相变材料可以在温度升相变材料根据应用需求特定温度范围内发生相高时吸收热量（通常是可以设计成不同形式，变反应，并在此过程中通过熔化），在温度降如微胶囊、直接混合、吸收或释放大量潜热的低时释放热量（通过凝浸渍等现代相变材料物质它们可以在相变固），从而起到缓冲温通常经过特殊处理，以温度附近存储和释放大度波动、维持恒温的作解决泄漏、相分离、过量的热能，而温度变化用这一特性使其成为冷等问题，提高其稳定很小，从而实现高密度理想的被动式温度调节性和使用寿命的热能存储材料相变材料的分类特殊相变材料形状记忆合金、液晶等1共晶盐混合物2多种盐混合降低熔点无机相变材料3盐水合物、金属等有机相变材料4石蜡、脂肪酸等有机相变材料是使用最广泛的一类，主要包括烷烃、脂肪酸、脂肪醇和多元醇等它们具有适宜的相变温度范围、较高的潜热、化学稳定性好、无毒无腐蚀等优点，但也存在导热系数低、体积变化大、易燃等缺点无机相变材料主要包括盐水合物、金属和合金等盐水合物具有较高的潜热和体积热容，价格低廉，但存在过冷、相分离和腐蚀性等问题共晶混合物是通过混合两种或多种物质获得的具有固定熔点的混合物，可以根据需要调整相变温度有机相变材料类型相变温度范围潜热范围主要优点主要缺点烷烃-10℃~80℃180-240性能稳定，无易燃，导热性kJ/kg毒差脂肪酸15℃~70℃150-200潜热高，无过轻微气味，腐kJ/kg冷蚀性多元醇20℃~190℃100-200温度范围广成本较高kJ/kg生物基0℃~70℃120-220环保可再生性能不稳定kJ/kg有机相变材料是应用最广泛的一类相变材料，主要包括石蜡（烷烃）、脂肪酸、多元醇等物质它们的相变温度多在室温附近，可通过分子结构调节，以满足不同应用场景的需求有机相变材料通常具有良好的化学稳定性、循环稳定性和可再生性，且多数无毒无害石蜡是使用最广泛的有机相变材料，由多种直链烷烃混合而成，相变温度范围广，可通过分子链长调节脂肪酸（如硬脂酸、棕榈酸）具有确定的相变温度和较高的潜热，但有轻微气味为解决有机相变材料导热性差、易泄漏等问题，现代应用通常采用微胶囊化、形状稳定化等技术手段无机相变材料盐水合物金属及合金无机共晶混合物盐水合物是最常见的无金属相变材料如镓、镓通过将不同无机盐混合机相变材料，如碳酸钠-锡合金等具有极高的可形成共晶混合物，如十水合物、硫酸钠十水导热系数、体积热容和氯化钠-氯化钙共晶盐合物等它们具有高潜较宽的相变温度选择范、硝酸锂-硝酸钠-硝酸热（约250-400围主要缺点是价格昂钾三元共晶盐等这类kJ/kg）、高热容、不贵、密度大、腐蚀性强材料可调节相变温度，易燃、价格低廉等优点，主要用于高端电子冷广泛用于太阳能蓄热和，但存在过冷现象、相却和航空航天等领域工业余热回收等领域分离、循环稳定性差等问题相变材料的应用相变材料在多个领域具有广泛应用在建筑节能中，相变材料被添加到墙体、天花板或地板中，可以吸收和释放热量，减少温度波动，降低供暖和制冷能耗在太阳能利用领域，相变材料作为热储存介质，可以存储白天收集的热量并在夜间释放，提高太阳能系统的连续性和效率在电子散热领域，相变材料可以吸收电子设备运行产生的热量，防止局部过热，延长设备寿命在服装和纺织品领域，相变材料被用于制造智能调温服装，可根据环境和人体温度变化提供热舒适性调节此外，相变材料还广泛应用于食品冷链运输、医疗保温箱、蓄冷空调系统等多个领域建筑节能墙体应用集成方式实际效益将相变材料集成到墙体、天花板或地板相变材料可以通过多种方式集成到建筑研究显示，合理应用相变材料可以降低中，可以增加建筑围护结构的热容量，中直接掺入建筑材料（如石膏板、混建筑物15-30%的能耗在被动式太阳房减少室内温度波动白天，相变材料吸凝土）；以微胶囊形式添加；采用宏观中，相变墙体可以减少温度波动达到收多余热量；夜间，释放存储的热量封装方式嵌入墙体；制成独立的相变墙50%以上在轻质建筑中，相变材料可这种被动式温度调节可以显著降低建筑板或天花板板材每种方式都有其特定以提供类似于重质建筑的热惯性，而不物的供暖和制冷负荷，实现能源节约和的应用场景和技术要求增加建筑结构负荷提高热舒适性太阳能利用系统应用能量释放这种蓄热系统可用于太阳能供暖热能存储夜间或阴天，当系统需要热能时、生活热水供应或工业过程热，太阳能收集熔化后的相变材料保持在相变温，相变材料凝固结晶，释放先前提高太阳能利用的连续性和可靠白天，太阳能集热器吸收太阳辐度附近，存储大量热能相比传存储的潜热，提供稳定的热能输性射能，将热能传递给相变材料，统水蓄热，相变蓄热可以在较小出使其温度升高并最终熔化，热能体积内存储更多热量以潜热形式存储电子器件散热热管理挑战相变散热原理实际应用现代电子设备持续微型化和高性能化，导相变材料可以在设备温度达到相变点时熔相变散热技术已广泛应用于笔记本电脑、致单位面积热流密度急剧增加传统散热化，吸收大量热能而温度几乎不变这一手机、服务器、LED灯具和电动汽车电池方法难以应对瞬态热负荷和热点问题，限过程可以有效抑制温度峰值，防止局部过等相变材料通常与石墨、碳纳米管等高制了设备性能的进一步提升热，平滑温度波动导热材料复合使用，形成高效散热复合材料相变储能技术相变存储热能收集1材料吸收热量并改变相态，能量以潜热形式存从热源获取能量，传递给相变材料储2热能释放能量保持4需要时材料逆向相变，释放存储的热能供使用3利用保温技术减少热损失，延长存储时间相变储能是一种利用物质相变过程中吸收或释放的潜热来存储能量的技术相比传统的显热储能（如水箱蓄热），相变储能具有能量密度高、温度稳定、体积小等优势在相变温度附近，相变材料可以在几乎恒定的温度下存储和释放大量热能相变储能系统可以弥合能源供应和需求之间的时间差异，提高能源利用效率例如，存储夜间低谷电力产生的热量用于白天高峰时段使用，或存储工业余热用于后续生产过程相变储能在可再生能源利用、建筑节能、工业余热回收等领域具有广阔应用前景。