相變

任何氣體或氣體混合物只有一個相，即氣相。液體通常只有一個相即液相，但正常液氦與超流動性液氦分屬兩種液相。對於固體，不同點陣結構的物理性質不同，分屬不同的相，故同一固體可以有多種不同的相。例如，固態硫有單斜晶硫和正交晶硫兩相；碳有金剛石和石墨兩相；a鐵、β鐵、γ鐵和δ鐵是鐵的4個固相；冰有7個固相。由單一物質構成的多相系統稱為單元復相系，如冰水混合物和由不同固相構成的鐵等。由多種不同物質構成的系統稱為多元系，如水和酒精的混合物是二元系，空氣是多元系。多元系可以是單相的，也可以是多相的。

相變是物質系統不同相之間的相互轉變。固、液、氣三相之間轉變時，常伴有吸熱或放熱以及體積突變。單位質量物質在等溫等壓條件下，從一相轉變為另一相時吸收或放出的熱量稱為相變潛熱。通常把伴有相變潛熱和體積突變的相變稱為第一類（或一級）相變。不伴有相變潛熱和體積突變的相變稱為第二類（或二級）相變。例如在居里溫度下鐵磁體與順磁體之間的轉變；無外磁場時超導物質在正常導電態與超導態之間的轉變；正常液氦與超流動性液氦之間的轉變等。

相變是有序和無序兩種傾向相互競爭的結果。相互作用是有序的起因，熱運動是無序的來源。在緩慢降溫的過程中，每當溫度降低到一定程度，以致熱運動不再能破壞某種特定相互作用造成的有序時，就可能出現新相。以銅鎳二元合金為例：合金從液態開始緩慢冷卻，當溫度降到液相線（1點）時，結晶開始。此時結晶出來的極少量固相成分為，液相的成分基本未變。隨著溫度降低固相逐漸增多，液相不斷減少。液相的成分沿液相線變化，周期的成分沿固相線變化。

以系統的狀態參量為變數建立坐標系，其中的點代表系統的一個平衡狀態，叫做相點，這樣的圖叫相圖。圖15是常用的與熱現象有關的p-T相圖。圖中曲線由相平衡點連接而成：OA是氣固平衡線，AB是液固平衡線，AC是氣液平衡線。這些相平衡線將p-T圖劃分為不同區域，每個區域代表一種相。三條相平衡線的交點（A）叫做三相點，在這一點，氣、液、固三相可以共存。圖中C為氣液相變的臨界點，在這一點汽化熱為0，超過這一點，氣態和液態的差別不復存在，物質可由P點的液相沿虛線連續地轉變為Q點的氣相，而不需要經過一個兩相共存的不連續階段。

（物態變化）不同相之間的相互轉變，稱為“相變”或稱“物態變化”。自然界中存在的各種各樣的物質，絕大多數都是以固、液、氣三種聚集態存在著。為了描述物質的不同聚集態，而用“相”來表示物質的固、液、氣三種形態的“相貌”。從廣義上來說，所謂相，指的是物質系統中具有相同物理性質的均勻物質部分，它和其他部分之間用一定的分界面隔離開來。例如，在由水和冰組成的系統中，冰是一個相，水是另一個相。α鐵、β鐵、γ鐵和δ鐵是鐵晶體的四個相。不同相之間相互轉變一般包括兩類，即一級相變和二級相變。相交總是在一定的壓強和一定的溫度下發生的。相變是很普遍的物理過程，它廣泛涉及到生產及科技工作。在物質形態的互相轉換過程中必然要有熱量的吸入或放出。物質三種狀態的主要區別在於它們分子間的距離，分子間相互作用力的大小，和熱運動的方式不同。因此在適當的條件下，物體能從一種狀態轉變為另一種狀態。其轉換過程是從量變到質變。例如，物質從固態轉變為液態的過程中，固態物質不斷吸收熱量，溫度逐漸升高，這是量變的過程；當溫度升高到一定程度，即達到熔點時，再繼續供給熱量，固態就開始向液態轉變，這時就發生了質的變化。雖然繼續供熱，但溫度並不升高，而是固液並存，直至完全熔解。

在發生相變時，有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為“一級相變”。例如，在1個大氣壓0℃的情況下，1千克質量的冰轉變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉換屬一級相變。

在發生相變時，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹係數和等溫壓縮係數等的物理量發生變化，這一類變化稱為二級相變。正常液態氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉變，正常導體與超導體之間的轉變，順磁體與鐵磁體之間的轉變，合金的有序態與無序態之間的轉變等都是典型的二級相變的例子。

相變材料在其相變溫度附近發生相變，釋放或吸收大量熱量，相變材料的這一特徵可被用於儲存能量或控制環境溫度目的，在許多領域具有應用價值。本項目在上海市青年科技啟明星計劃、國家自然科學基金和上海市納米技術專項等計劃資助下研製開發的納米石墨相變儲能複合材料具有儲能密度高、導熱換熱效果優異、安全穩定、阻燃和環境友好等優點。與現有的相變儲能材料相比，納米石墨基相變儲能複合材料的導熱係數提高1～2個數量級，相變溫度在-40～+70°C之間連續可調，儲能密度可達150～200J/g左右，經1000次循環后，性能劣化小於5％。

相變材料具有應用領域非常廣泛的特點，在建築節能、現代農業溫室、太陽能利用、生物醫藥製品及食品的冷藏和運輸、物理醫療（熱療）、電子設備散熱、運動員降溫（保暖）服飾、特殊控溫服裝、航天科技、軍事紅外偽裝、電力調峰應用、工業餘熱儲存利用等諸多領域均具有明顯的應用價值。

常壓下冰在0攝氏度融化，冰的汽化潛熱為335kj/kg。能夠滿足0攝氏度以上的製冷要求。冰冷卻時，常藉助空氣或水作中間介質以吸收貝冷卻對象的潛熱。此時，換熱過程發生在水或空氣與冰表面之間。被冷卻物體所能達到的溫度一般比冰的溶解溫度高5-10攝氏度。厚度10厘米左右的冰塊，其比表面積在25-30平方米/立方米之間。為了增大比表面積，可以將冰粉碎成碎冰。水到冰的表面傳熱係數為116W/（平方米*K）。空氣到冰表面的表面傳熱係數與二者之間的溫度差以及空氣的運動情況有關。

相變是廣泛存在的，在材料科學、熱力工程、冶金工程、化學工業和氣象學等領域都涉及各種相變過程。