基本介紹
- 中文名：態
- 外文名：Phase (matter)
- 別稱：相
- 領域：量子力學
簡介,相平衡,相的數量,界面現象,晶相,相變,進階定義,對自由能的分析,相關的熱力學參數,亞穩定的相,相圖,形成和萬能性,參見,
簡介
在固相與液相之間的中間相形成另一種物質狀態，中間相物質是一種很有用的材料。但在同一個物質狀態中也會存在不同的相，例如在鐵-碳合金的相圖中，存在許多物質狀態都是固態或液態的各種不同的相，例如萊氏體、奧氏體、珠光體等。
圖1.鐵-碳合金的相圖展示出形成各種不同相所需的條件
圖1.鐵-碳合金的相圖展示出形成各種不同相所需的條件在溶液里，溶質對於溶劑在溶解度方面的不同，使得可區分的相的出現成為可能，例如，水（極性分子）在油（非極性分子）中的溶解度很低，而油在水中的溶解度也很低，由水和油形成的混合物，因為二者不互溶，會自然分為二個相，並因此出現清楚的界面。兩種物質的互溶度與它們彼此之間的的分子間作用力有關。一般而言，假若溶質A能夠溶解於溶劑B，則在它們組成的溶液里，分子間吸引力KAB必須能克服KAA與KBB。分子間吸引力與分子的極性或非極性有關，例如，假若溶質A、溶劑B都是非極性物質，即KAA、KBB都很弱，而KAB也很弱，則溶質A在溶劑B的溶解度可能很高；假若溶質A、溶劑B都是極性物質，即KAA、KBB都很強，而KAB也很強，則溶質A在溶劑B的溶解度可能很高。
舉例而言，化學實驗家已完成展示不互熔性的實驗。在這實驗裡，可以觀察到八種不互熔的相，一層一層的堆排在容器內 ，按照密度從小至大，分別為石蠟油、矽油、水、苯胺、全氟二甲基環己烷、熔融白磷、熔融鎵、水銀。在磷與鎵都會熔化的溫度45°C，這系統呈長久穩定平衡。
2012年加拿大佩里米特理論物理研究所研究員文小剛在美國《科學》雜誌的發表文章提出一種能夠最終對相進行分類的新理論體系，物質有500多種相。該理論可以在任何維度、任何對稱性的基礎上對保有對稱性的相實施構築和分類。
相平衡
在相平衡時，許多的成分可能會形成均勻的一相，但單一相質也有可能在特定溫度及壓力下分為二個或三相不同的相，同一相的物理性質一樣，但相和相之間的物理性質就不同了。
假設在密閉罐子中的水只占有一部分空間，則會形成兩相，大部分的水是處於液相，靠水分子之間的吸引力而維持液相，但即使在相平衡時，分子仍然在運動，若某一個水分子獲過夠大的動能，就會打破水分子之間的吸引力，由液相變為氣相，當一個水蒸氣分子和水面碰撞，也會凝結成水。在平衡時，水蒸發和凝結的速度相同，液相及氣相的體積都不會改變。
在室溫及一般大氣壓力下，當罐中空氣的濕度到3%時，水和水蒸氣達到平衡。當溫度升高，平衡時的濕度也會上升。在溫度100%時，水會全部變成水蒸氣時，若加熱略超過100度，不只液體表面的水分子會氣化，液體水整體都會氣化，稱為沸騰。
相的數量
給定一種組成，在特定溫度及壓力下只有某些相可以存在。相的數量及種類很難預估，一般都是用實驗來求得，實驗的結果會繪成相圖。
圖2.典型的相包括固相、液相與氣相
圖2.典型的相包括固相、液相與氣相右圖是單一成分的相圖，注意到系統的狀相只和溫度及壓力有關，圖中繪出兩相或三相共存的條件，只要溫度或壓力偏離該條件，平衡狀況下就只有一相。
圖中的藍線是液氣共存的線段，但終止於一個稱為臨界點的溫度及壓力。當溫度及壓力接近臨界點時，液相和氣相的性質會越來接近，在臨界點時無法區分液相和氣相，溫度及壓力一旦超過臨界點，就沒有單獨可區分的液相或氣相，只會有一種稱為超臨界流體的流體相。水的臨界點是647K（374 °C）及22.064MPa。
在水的相圖中，一個特殊之處為其固液共存的線段（綠色點線）。對於大部分的物質，這條線的斜率為正值（綠色實線），表示若要維持固相和液相共存，溫度升高，壓力就大。但對於水這條線（綠色點線）的斜率為負值，這和凍的密度比水要低有關，將冰加壓會使冰成為密度較高的相，也就是水。
另一個值得注意的特性是液氣共存線、固液共存線彼此相交的點，稱為三相點，在此溫度及壓力下，三相會共存
在實驗方面，平衡線不難繪製，這是因為對於多相系統，溫度與壓力無關。試想由密閉隔溫罐子與活塞組成的一個檢試儀器，假設注入正確數量的水，加熱，則這系統可以被帶到相圖的氣相區域內的任意點。這時，假若用力將活塞緩慢推入罐子，則這系統會在相圖的氣相區域描繪出一條溫度增加與壓力增加的曲線。但是，假若這條曲線遇到液相-氣相平衡線，即氣體開始凝聚成液體的情況，則這系統之後描繪出的曲線會驟然地重疊於液相-氣相平衡線，直到所有水汽體都凝聚成水液體。
界面現象
在平衡的二相的邊界之間，會有一狹窄區域，其性質和這二相都不同，雖然此區域可能非常狹窄，它可能造成顯著與容易觀測到的效應，例如促使液體展示出表面張力。混合物的某些成分可能比較喜歡移動至界面。為了建模、描述或了解某特定系統的物理行為，將界面區域視為獨立分開的一相是個很好的點子。
晶相
相變
主條目：相變
相變是指一物質由一個相轉變為另一個相，
進階定義
對自由能的分析
雖然相的概念從表面上來看非常簡單，但要對它作一個精確的定義卻很困難。一個比較好的定義是一個相是一個在其範圍內其熱力學參數的自由能在參數空間中的函式是解析的。這個定義實際上就是說，假如兩個系統是同一個相的話，那么在從一個系統轉換到另一個系統的時候它們的熱力學參數不會突然改變。
假如一個系統從一個相演變為另一個相，那么在這個過程中總會有一個階段里自由能是不解析的。這個過程被稱為相變。最常見的相變有溶化（從固態到液態）、凍結（從液態到固態）、蒸發（從液態到氣態）和凝結（從氣態到液態）。由於自由能在這個過程中是不解析的，因此在這個過程的兩邊它是兩個完全不同的函式。兩個相的熱力學參數也完全不同。最顯著的是熱容量，在相變過程中熱容量可以達到無窮大，從一個值跳到另一個值。
相關的熱力學參數
實際上每個相與另一個相之間總有一些相關的熱力學參數非常不同。比如固體比液體要堅固得多，固體不像液體或氣體那樣，它可以保持它的形狀。而液體則比氣體的壓縮性小得多。在一個大的容器中，氣體可以充滿整個容器，而液體則只占據一小部分。固體、液體和氣體之間也有許多相同的熱力學特性，比如它們的磁特性。但一個物質的鐵磁態和順磁態之間最大的區別就是它們的磁特性了。
亞穩定的相
亞穩定的狀態有時也被看作是相，但精確地說它們並非相，因為它們不穩定。比如一些同素異形體只有在一定的條件下才穩定。取以上提及的碳為例，鑽石只有在高壓下才真正穩定。在一般的大氣壓和溫度下鑽石會緩慢地轉變為石墨。但這個過程非常緩慢，因此在常溫和常壓下鑽石是一種亞穩定的狀態。假如溫度加高的話，這個轉化的過程就會加快。
