相简介（热力学）

贡献者： ACertainUser; addis

1. 相

　　 什么是相？我们可以分别从 “宏观” 与 “微观” 角度来了解相:

• 宏观上看，“相是系统中（宏观）物理与化学性质完全相同的一部分”。这也是不少教科书的定义。
• 微观上看，相是 “物质的一种存在形式”，与物质的微观结构、成分等有关。

　　 如果这繁琐的定义还是让你摸不着头脑，那我们就先看生活中最常见的物质之一，水。在常温常压环境下，水是液体；在温度很低时，水就凝固为固体冰；而在温度很高时，水就蒸发为看不见的水蒸气¹。

　　 很显然，尽管冰、液态水和水蒸气的成分都是水，但是他们的结构、性质却截然不同。这就引出了 “相” 的概念：冰、液态水、水蒸气是水的不同存在形式，也就是水的不同相态。由于不同相态下同一物质的性质也大不相同，因此你常常需要写出化学反应中反应物、生成物所处的相态。

2. 比较容易理解的相

　　² 不只是水，大部分物质都存在这样的气、液、固三相。例如，"干冰"就是固态的二氧化碳，而 “铁水” 就是融化的铁。

3. 不大容易理解的相

　　 除了以上说的三态之外，还有其他的相吗？比如说，一种物质可以存在多种不同的固、液相吗？

　　 答案当然是肯定的。对于纯物质，这就是高中所说的同素异形问题。老生常谈的例子是石墨和钻石，他们成分都是 C，但是他们的结构完全不同，相应的物理、化学性质也不同。例如，石墨的导电性远远好于钻石。因此，我们说，石墨和钻石是 C 的两种固相。

　　 这绝不是孤例。再比如常见的金属铁，在常温下，铁的稳定晶胞结构是体心立方 BCC，通常称为 $\alpha-Fe$；而当温度升高至 $900 ^\circ C$ 以上时，铁的稳定晶胞结构将变为面心立方 FCC，也称 $\gamma-Fe$³。$\alpha-Fe$ 与 $\gamma-Fe$ 分别是铁的两种固相。

　　 对于混合物，“相” 的概念更为复杂、有趣。一个简单的例子是，如果你将油与水倒在同一个杯子中，即使你努力地摇匀，你还是会发现静置后杯中的油与水将逐渐分为两层。这两层就分别是油水混合物的两种液相。

4. 复相系统与相平衡

　　 上述的最后例子暗示了一些有趣的东西：在某些条件下，一个系统中的物质可以平衡地以多种不同的形式存在，或者说，一种系统中可以多相共存。比如，在初中我们就知道，零度时冰与水可以平衡共存；此时，系统中就有两个平衡的相。

　　 为什么两相可以平衡共存？两相共存的条件是什么？平衡时物质如何在两相中分配？这就是复相热力学将要解决的问题，我们将热力学定律运用至复相系统中并试图解决这一类问题。复相平衡背后的物理学很复杂，但简要地说，支配物质在各相中分配的还是熟悉而陌生的熵与热力学第二定律。

5. 相变

　　 另一方面而言，如果环境条件不足以支持相平衡，那么物质将在相之间转移、直到新的平衡形成，这种转移过程称为相变。例如，将冰箱里的冰拿出到室温环境时，固相中的水将转移至液相，从而发生固液相变。说人话，就是冰融化为水了。

　　 如果你还记得上述的铁的例子的话，那么你就会知道炼铁后当铁逐渐冷却时，必然经历一个复杂的相变过程 $\gamma - Fe \rightarrow \alpha - Fe$。这个转变过程中，铁的性质将发生剧烈变化。一方面而言，这种相变给铸造带来了很多麻烦；但另一方面，人们也可以利用相变的复杂性，使用特殊的铸造方式铸造性状优良的铁。

1. ^ 你看到壶口喷出的 “水蒸气” 其实是已经凝固了的小水滴，而不是真正的水蒸气
2. ^ 根据原作者的著名要求，要写上 Access for free at openstax.org.
3. ^ 随着温度升高至大约 $1400 ^\circ C$ 以上时，铁的稳定晶胞结构又将变为体心立方 BCC，称为 $\delta - Fe$。在大约 $1530 ^\circ C$ 以上，铁将熔化。