3-2   熱對物質的影響
   3-2-1 物態變化
          ◎ 粒子模型解釋三態變化
           ◎ 溫度與三態變化、潛熱
             ◎ 壓力對熔點、沸點的影響
               ◎ 蒸發與昇華
         3-2-2 熱膨脹
                   ◎ 熱脹冷縮現象        
                     ◎ 熱膨脹的生活應用
                        ◎ 水的熱膨脹性質

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3-2-1 物態變化

物體受熱後溫度升高，或冷卻後溫度降低，至某一程度時，其形態會發生變化，例如固態的冰受熱後，熔化成液態的水；若再繼續加熱，則水經由蒸發或沸騰的過程，轉變為氣態的水蒸汽。這些形態的改變稱為物態變化。

自然界的物質，在不同條件下，可以三種物態存在，即固態、液態、氣態。岩石在平常狀況下為固態，但火山爆發時所噴出的岩漿，顯示岩石在地核高溫下是處於液態。即使是空氣也可冷卻成液態，或甚至進一步冷卻成固態。 

粒子模型解釋三態變化

物質的三態變化，可以利用物質的粒子模型予以解釋。所謂粒子指的是組成物質的眾多分子或原子。這些粒子之間，彼此有互相作用的力，統稱為分子力。

分子力的大小和方向與兩分子間的距離有關：當分子間的距離變大時，產生吸引作用；反之，距離變小時，產生排斥作用。因此分子間維持在一個適當的平衡距離。

分子力的性質很像是彈簧的恢復力：當彈簧被拉長時，產生向內的拉力；而當被壓縮時，產生向外的推力。但是當分子之間的距離過大時，分子力的大小隨距離的增加而迅速地減弱。

固體內的分子之間彼此吸引牽制，呈現有規則的排列，但各分子並不是固定不動，而是在各自的平衡位置附近做零亂的微小振動。由於分子力的強力束縛，使固體不易變形，因此固體具有一定的形狀與體積。分子振動速度的快慢代表溫度的高低。換句話說，溫度是反映分子運動的激烈程度。
        

對固體加熱使其溫度升高時，分子振動的速度加快，振動的幅度變大，分子間的距離也隨之增加，分子力的束縛相對地減弱。

熔化
如果溫度夠高，有些分子的速度將加快致使分子力無法再將其拘束在固定位置，而形成許多分離的分子團，轉變成液體。固體解離成液體的相變過程，稱為熔化。分子在液體中可以相當自由地移動，但減弱的分子力仍足以使它們牽連在一起，因此液體雖無固定的形狀，但仍具有一定的體積。

汽化
繼續對此液體加熱，分子運動的速度更快，分子距離的增加使分子力更形減弱。當分子運動的速度增快到可完全掙脫分子力的束縛時，液體就轉變成氣體，稱為汽化。

此時在液體內部形成許多氣泡翻湧而出，這種現象稱為沸騰。汽化後的氣體分子可以完全自由地移動，不受分子力的束縛，因此容易膨脹。由於氣體分子間的距離甚大，所以也容易被壓縮，這使得氣體沒有一定的形狀，也沒有一定的體積。

溫度與三態變化

在冰的熔化期間，由熱源處所輸入的熱能主要用於瓦解固體分子間的鍵結，而不是在增加分子運動的能量，(增加位能而不增加動能)因此冰在熔化時，溫度保持不變。每一克物質在熔化時，從固態轉變為同溫度的液態，所需吸收的熱量稱為該物質的熔化熱。由實驗可測知冰的熔化熱為80卡／克。

同理，在水的沸騰期間，由熱源處所輸入的熱能主要用於掙脫液體內分子間的束縛力，平均而言，分子運動的速度大小並沒有增加，因此氣態的水蒸汽和液態的水共存時，溫度不變。每一克物質在汽化時，從液態轉變為同溫度的氣態，所需吸收的熱量稱為該物質的汽化熱。由實驗可測知水在沸點時的汽化熱為540卡／克。

水或其他的純物質在冷卻降溫時，從「氣態→液態→固態」的變化過程，仍如圖所示，只是進行的方向相反而已。

氣體轉變成液體的現象，稱為液化。液化期間，氣態和液態共存，溫度保持不變。這時的溫度稱為凝結點。每一克物質在液化時，從氣態轉變為同溫度的液態，所需放出的熱量稱為該物質的凝結熱。在通常的狀況下，同一物質的凝結點和沸點相同；凝結熱和汽化熱相等。

同樣地，當液體受冷轉變成固體時，溫度保持不變，直至液體全部轉變成固體時為止。液體凝固期間的溫度稱為凝固點。在通常的狀況下，同一物質的凝固點和熔點相同；凝固熱和熔化熱相等。

潛熱
三種物態互變時，有一個現象值得注意，即當兩態互相轉換時，若末變為單一物態以前，用溫度計測量之，可發現其溫度會保持不變。此時可發現，熱能之進出，對溫度不生影響，此時能量並未消失，而是以另一種型式儲存起來。以每l克質量為準，其所吸入或放出之熱能稱為潛熱。水與冰互變之潛熱為80卡/克。水與水蒸氣間的潛熱則為539卡/克。

壓力對熔點、沸點的影響

壓力對物態之互變溫度有很大之影響。一般固體物質，熔解時體積增大，凝固時體積縮小，若外界大氣壓力增加，則熔解時體積不易增大，故熔點必升高。

少數固體，如冰、鑄鐵、銻、鉍等，熔解時體積縮小，凝固時體積增大，壓力增加熔點必降低。以冰為例，在1大氣壓之下，冰點(或熔點)為0℃，壓力大於1大氣壓時，冰點(或熔點)低於0℃，壓力小於1大氣壓時，冰點(或熔點)則高於0℃。

通常住於高山上或登山的人，常有水易沸騰而食物難熱之煮食經驗，這是因為高山之氣壓低，沸點也就不高，只要加上夠童之鍋蓋，或使用壓力鍋，調節一下壓力，軌可提高沸點，解決煮熟食物的問題。                                  

例題3-6：
一質量30公克0℃的冰，加入100公克20℃的冷水，末溫為何？                      0℃

想想看

1.何以在冰冷的天氣中，熱水反而比溫水容易結冰？
ANS：因為熱水汽化速度較快，因此溫度降低比溫水還快，故熱水反而比溫水易結冰。

2. 為何在降霜之前，在果樹上噴水，可防止水果凍傷？
ANS：在水果上噴水，可使水果減少與低溫環境直接接觸的面積。又當水凝固成冰時，反而會放出熱量使水果免於被凍傷。

水的三態變化和所伴隨的熱量進出，幾乎是處處可見。
◎廚房內作菜時，只要鍋內有水，不管鍋底下的火有多猛，就不必擔心菜會燒焦，因為水沸騰時，溫度保持不變。
◎裝熱水杯子的內側與裝冰水杯子的外側常見有小水珠，以及清晨時葉子上的小露珠，都是水蒸氣遇冷凝結成水的現象。
◎大雨前會覺得悶熱，這是因為空氣中的水蒸氣凝結，放出大量熱的緣故。

蒸發與昇華

液體因受熱而變成氣體之現象，稱為汽化。汽化又可分為蒸發與沸騰兩種。

蒸發
任何溫度下均有蒸發現象，它是位於液體表面之高速運動分子，逸出表面所造成，由於這種分子動能大，蒸發後所留下之分子動能比較小，因此它有降溫效果。

◎蒸發速率與物質種類及下列因素有關：即，溫度高、表面積大、表面附近空氣流速大、氣壓小或真空中都可得到高蒸發速率。

◎運動後(高溫)，脫衣服(讓皮膚直接變成表面，表面積增大)，再次電扇或冷氣之涼風(流速大)，體溫容易降低而受涼。

◎地面上的一灘水，經一段時間後便不見了，就是蒸發所造成。

◎平常晾衣服可使衣服乾燥，也是蒸發的結果。

◎液體蒸發時，由於失去能量較大的分子，因此溫度會降低，造成冷卻的效果。

◎打針前，塗上酒精的手臂感覺涼快，便是因為酒精容易揮發，蒸發時溫度降低，再從手臂上吸熱所致。

◎沸騰與蒸發不同，它發生於液體內部，且在沸點時才會發生。

◎右圖顯示乙醚蒸發時吸熱，可使水結冰。

昇華
蒸發不一定只發生於液體，一些固體，如碘、乾冰（即固態二氧化碳）、樟腦等，可以直接受熱蒸發為氣態，此種過程稱為昇華。有昇華現象之物質，將其氣態冷卻也不經過液態，直接變為固體。

想想看
1.寒帶地區的人晾衣服，衣服先結冰變硬，過一段時間衣服便乾、變得柔軟，為何？
2. 冷氣機運轉時，常會有水排出，試問水從哪裡來？
ANS：冷氣機中低溫低溫的管子，會使空氣裡的水蒸氣凝結成水滴，所以當冷氣機運轉時，會持續地有水排出。