溫度：影響物態變化的決定因素

摘 要：影響物態變化的決定因素是溫度。物體與周圍環境存在溫度差越大，物態變化越明顯；物體與周圍環境存在溫度差太大時，甚至會出現不同的物態變化。溫度不僅影響物態變化的結果，也影響物態變化的快慢。物態變化可以從分子動理論角度進行解釋。

關鍵詞：溫度；物態變化；分子動理論

蘇科版物理八年級上冊第二章“物態變化”第四節通過觀察“碘錘”中的物態變化，引入升華和凝華的概念。我們知道，碘的固體是紫黑色有金屬光澤的鱗片狀晶體，屬于分子晶體，熔點為113.5℃，沸點為184.35℃，液態溫度區間為70.85℃，區間較小，易升華為紫色碘蒸氣。對“碘錘”中少量的碘晶粒稍稍加熱后，碘的溫度升高，由于升華可以在任何溫度下進行，并且一般情況下溫度越高，升華越快，所以少量的碘在溫度達到它的熔點前已經全部升華成紫色的碘蒸氣。這種現象是因為碘分子在較高溫環境下分子間距離增大，脫離它們之間的互相束縛，擴散到空氣分子中，由此可見，碘分子之間的作用力是比較弱的。

受“碘錘”實驗的影響，有的學生認為，碘在加熱條件下，只有升華現象，沒有熔化現象，這種觀點是錯誤的。從理論上講，只要溫度達到碘的熔點113.5℃，并且繼續加熱，碘就會發生熔化現象，事實也是如此。在“碘錘”實驗中，有時就會觀察到少量的液態碘。分析這種現象的產生，主要有以下幾個方面原因：一是“碘錘”中碘量較多。由于升華是從物體表面發生的，在加熱的過程中，由于碘量過多，受熱不均勻，最外面的碘隨著溫度升高迅速超過沸點開始升華，可是里面的碘溫度不能快速升高超過沸點而是達到了碘的熔點，于是碘開始熔化，就出現了少量的液態碘。因此，在通過“碘錘”做碘的升華實驗時，碘量要少一些好。二是碘的顆粒過大。因為升華是在碘的表面開始，碘的顆粒過大，導致碘內外受熱不均勻，碘的外部溫度高超過沸點迅速開始升華，內部溫度低達到了碘的熔點開始熔化。因此，在通過“碘錘”做碘的升華實驗時，碘的顆粒要小一些好。三是加熱時溫度過低。加熱時，由于溫度過低，會使碘的溫度不能快速超過沸點，少量的碘溫度到達熔點而出現熔化現象。因此，在通過“碘錘”做碘的升華實驗時，一定要使用酒精燈的外焰加熱。

那么究竟什么是影響物態變化的主要因素呢？我們知道，常溫下物體處于固態、液態和氣態三種狀態，當物體發生物態變化時，需要吸熱或放熱。當物體由高密度向低密度轉化時，就是吸熱，由低密度向高密度轉化時，則是放熱，而吸熱或放熱的條件是熱傳遞，所以物體不與周圍環境存在溫度差，就不會產生物態變化。所以，物態變化發生時一定是受到溫度的影響，固態、液態和氣態三種狀態轉換的依據主要是溫度。

物體與周圍環境存在溫度差越大，物態變化越明顯。當物體與周圍環境存在溫度差太大時，甚至會出現不同的物態變化。如炎熱的夏天，從冰柜中取出的冰棒會出現兩種現象，一是在冰棒上會出現“白粉”，二是在冰棒的上方會向下冒“白氣”。兩種現象其實是兩種不同的物態變化，前者是凝華現象，由于冰棒與周圍空氣的溫度差比較大，空氣中的水蒸氣遇到溫度比較低的冰棒凝華成固態小冰晶，后者是液化現象，冰棒上方與周圍空氣也存在溫度差，但是這個溫度差比前者要小，因此，空氣中的水蒸氣在冰棒上方遇冷液化成液態的小水珠。可見，溫度差的大小影響了物態變化的結果。

溫度不僅影響物態變化的結果，也影響物態變化的快慢。我們知道，升華和蒸發兩種物態變化可以在任何溫度下進行，但不是說升華和蒸發與溫度無關，恰恰相反，溫度對升華和蒸發影響較大，如溫度越高，升華就會越快。在蒸發快慢的影響因素中溫度的高低對蒸發影響也是最明顯的。

讓我們再從分子動理論角度認識溫度對物態變化的影響。有的物質是由原子直接構成，如金屬；有的物質是由原子組成的分子構成的，如水、冰。不管是由原子直接構成，還是由原子組成的分子構成，其原子與原子之間，分子與分子之間，都有力的作用（即所謂的束縛力），所以要使得分子間的引力和斥力的作用減小，就要對物質不斷加熱，當溫度升高時，原子（或分子）吸收能量，自身運動速率加快，會克服原來周圍力的作用，這時它的活動范圍加大，讓熱量用來“幫助”分子解脫束縛，使有的分子能較為自由地“游動”，呈現出了流動性，固體就熔化成了液體。因此，分子之間的距離決定了物態，結合的最緊密的時候是固態，稍微松一些是液態，間距再大一些是氣態。當物體是固態時，分子力很大，各個分子之間相互束縛，所以固體有固定體積和形狀。當溫度升高到某一值時，由于物體內能增加，分子動能更大，分子可以脫離原先的位置自由流動，這就是液體。當溫度再升高，分子的動能很大，分子就脫離了集體，而由于分子力是一個短程力，距離大到一定值時就不顯力了，所以此時分子力幾乎為0，分子可達到任何地方，此時就是氣體了。下圖可以形象地說明不同物態下分子排列情況。

甲圖是固態，分子的排列規則；乙圖是液態，分子可以移動；丙圖是氣態，分子幾乎不受力的作用。

有些物體發生物態變化時，需要在一定的溫度下才能發生，如晶體的熔化、液體的沸騰，而還有些物體可以在任何溫度下發生物態變化，如液化的蒸發，碘、冰、干冰及樟腦等的升華。有些物體溫度升高時不一定會發生物態變化，物體溫度升高時，只要物體的體積不發生變化，就不會影響到分子勢能，增加的只是分子動能，進而影響內能。