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相变(化学/物理词汇)

物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同,与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应,物质有固相、液相、气相。

任何气体或气体混合物只有一个相,即气相。液体通常只有一个相即液相,但正常液氦超流动性液氦分属两种液相。对于固体,不同点阵结构的物理性质不同,分属不同的相,故同一固体可以有多种不同的相。例如,固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相;碳有金刚石和石墨两相。

不同相之间的相互转变,称为“相变”或称“物态变化”。自然界中存在的各种各样的物质,绝大多数都是以固、液、气三种聚集态存在着。为了描述物质的不同聚集态,而用“相”来表示物质的固、液、气三种形态的“相貌”。从广义上来说,所谓相,指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分,它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。例如,在由水和冰组成的系统中,冰是一个相,水是另一个相。α铁、γ铁和δ铁是铁晶体的三个相。不同相之间相互转变一般包括两类,即一级相变二级相变。相变总是在一定的压强和一定的温度下发生的 。

相变是很普遍的物理过程,它广泛涉及到生产及科技工作。在物质形态的互相转换过程中必然要有热量的吸入或放出。物质三种状态的主要区别在于它们分子间的距离,分子间相互作用力的大小,和热运动的方式不同。因此在适当的条件下,物体能从一种状态转变为另一种状态。其转换过程是从量变到质变。例如,物质从固态转变为液态的过程中,固态物质不断吸收热量,温度逐渐升高,这是量变的过程;当温度升高到一定程度,即达到熔点时,再继续供给热量,固态就开始向液态转变,这时就发生了质的变化。虽然继续供热,但温度并不升高,而是固液并存,直至完全熔解。

α铁、γ铁和δ铁是铁的3个固相;冰有7个固相。由单一物质构成的多相系统称为单元复相系,如冰水混合物和由不同固相构成的铁等。由多种不同物质构成的系统称为多元系,如酒精的混合物是二元系,空气是多元系。多元 系可以是单相的,也可以是多相的。 相变是物质系统不同相之间的相互转变。固、液、气三相之间转变时,常伴有吸热或放热以及体积突变。单位质量物质在等温等压条件下,从一相转变为另一相时吸收或放出的热量称为相变潜热。通常把伴有相变潜热和体积突变的相变称为第一类(或一级)相变。不伴有相变潜热和体积突变的相变称为第二类(或二级)相变。例如在居里温度下铁磁体与顺磁体之间的转变;无外磁场时超导物质在正常导电态与超导态之间的转变;正常液氦与超流动性液氦之间的转变等。

相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互作用是有序的起因,热运动是无序的来源。在缓慢降温的过程中,每当温度降低到一定程度,以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的有序时,就可能出现新相。以铜镍二元合金为例:合金从液态开始缓慢冷却,当温度降到液相线(1点)时,结晶开始。此时结晶出来的极少量固相成分,液相的成分基本未变。随着温度降低固相逐渐增多,液相不断减少。液相的成分沿液相线变化,固相的成分沿固相线变化。

以系统的状态参量为变量建立坐标系,其中的点代表系统的一个平衡状态,叫做相点,这样的图叫相图。右图是常用的与热现象有关的p-T相图。图中曲线由相平衡点连接而成:OA是气固平衡线,AB是液固平衡线,AC是气液平衡线。这些相平衡线将p-T图划分为不同区域,每个区域代表一种相。三条相平衡线的交点(A)叫做三相点,在这一点,气、液、固三相可以共存。图中C为气液相变的临界点,在这一点汽化热为0,超过这一点,气态和液态的差别不复存在,物质可由P点的液相沿虚线连续地转变为Q点的气相,而不需要经过一个两相共存的不连续阶段。

在发生相变时,有体积的变化同时有热量的吸收或释放,这类相变即称为“一级相变”。例如,在1个大气压0℃的情况下,1 kg质量的冰转变成同温度的水,要吸收79.6 kcal(千卡)的热量,与此同时体积亦收缩。所以,冰与水之间的转换属一级相变。

在发生相变时,体积不变化的情况下,也不伴随热量的吸收和释放,只是热容量热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化,这一类变化称为二级相变。正常液态氦(氦Ⅰ)与超流氦(氦Ⅱ)之间的转变,正常导体超导体之间的转变,顺磁体与铁磁体之间的转变,合金的有序态与无序态之间的转变等都是典型的二级相变的例子。

相变材料在其相变温度附近发生相变,释放或吸收大量热量,相变材料的这一特征可被用于储存能量或控制环境温度目的,在许多领域具有应用价值。本项目在上海市青年科技启明星计划、国家自然科学基金和上海市纳米技术专项等计划资助下研制开发的纳米石墨相变储能复合材料具有储能密度高、导热换热效果优异、安全稳定、阻燃和环境友好等优点。与现有的相变储能材料相比,纳米石墨基相变储能复合材料的导热系数提高1~2个数量级,相变温度在-40~+70°C之间连续可调,储能密度可达150~200 J/g左右,经1000次循环后,性能劣化小于5-。 相变材料具有应用领域非常广泛的特点,在建筑节能、现代农业温室、太阳能利用、生物医药制品及食品的冷藏和运输、物理医疗(热疗)、电子设备散热、运动员降温(保暖)服饰、特殊控温服装、航天科技、军事红外伪装、电力调峰应用、工业余热储存利用等诸多领域均具有明显的应用价值。

常压下冰在0℃融化,冰的汽化潜热为335 kJ/kg。能够满足0℃以上的制冷要求。

冰冷却时,常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的潜热。此时,换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10℃。厚度10 cm左右的冰块,其比表面积在25-30 m2/m3之间。为了增大比表面积,可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116 W/(m2K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。

相变是广泛存在的,在材料科学热力工程冶金工程、化学工业和气象学等领域都涉及各种相变过程。

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