{dy}节  物态的变化

在物质世界之中，我们周围的一切，如空气、水、铁等都是物质，一切物质均在不断地发生变化。一般物质存在三种形态：气态、液态和固态，即使同一种物质也有三种形态。例如水，在0℃时能结成冰变成固态。而在100℃时则变成蒸气而成气态，在0～100℃之间则是液态。可见在一定的条件下，物质的形态能够互相转化。

物质是由分子组成的，在物质的三种形态变化中，物质的本质并没有发生变化。物质的气态、液态和固态三者的主要区别在于物质分子间的距离和作用力的大小不同，这些仅是程度上的差别，本质上是相同的。气态物质分子间的距离较大，分子之间的相互作用力较小，以致气态物质不能单独地维持自已的形状和体积，总是充满在容纳它的物质之中。液态物质分子间的距离较气态小，作用力较大，因此液态物质只能单独地保持其体积而不能保持其形状。固态物质分子间的距离小，作用力大，因此固态物质能保持自已的独立形状和体积。

物质在发生形态的变化时，伴随着热量的变化。如冰熔化要加热，水变成汽也要加热，说明它们吸收热量；相反，水结成冰要移去热量，汽变成水也要移去热量，说明它们放出热量。一般地说，从固态变液态，液态变气态，固态直接变成气态的过程是从分子排列密、相互作用力大的状态，变为分子排列疏、作用力小的状态。这一过程要从外界吸取热量；而相反的过程则向外界传递（放出）热量。如图一所示。

由固态变成液态的过程叫熔化。将固态加热，当升高到一定的温度时固体即变成液体。固体物质熔化时的这个温度称为熔点。固体熔化时内能增加，因此需要从外界吸收热量。一些物质的熔点见表一。

单位质量的物质，由固体变为同温度的液体所需要吸收的热量叫做该物质的熔化热。物质的熔点和熔化热随压强的变化而变化。一些物质的熔化热见表二，单位：cal/g

表一  一些物质的熔点℃

表二  一些物质的熔化热(cal/g)

由液体变为固体的过程叫做凝固。它是熔化的逆过程。物体由液体变为固体时要放出热量。放出的热量与该物质的熔化热相等。凝固是在与熔化相同的温度下进行的，所以同一物质的熔点和凝固点是一样的。

物质由液态变成气态或固态直接变成气态的过程都称为汽化过程，它可分为蒸发、沸腾和升华三种情况。

蒸发是指在任何温度下（只要低于临界温度）液体表面的汽化过程。在制冷技术中，“蒸发”通常代表液体的沸腾过程。

将液体加热到一定的温度，液体逐渐变成蒸气；当蒸汽的形成不仅来自液体表面，而且来自液体内部，且形成许多小汽泡上升至液面上方空间时，这一现象称为沸腾。也就是温度升高到液体的蒸汽压力与周围的空间压力相等时，液体即开始沸腾。液体开始沸腾时的温度叫做沸点。沸腾也是同时发生在液体内部和表面的汽化现象。一些物质的沸点见表三。

表三 一些物质的沸点℃

某些固体不经过液态而直接变成气态的汽化现象叫做升华。升华是固体的直接汽化过程，容易升华的固体叫挥发性固体。物质在汽化时要吸收热量，单位质量的液体变成同温度的汽体所吸收的热量叫做汽化热，因为也是蒸发时所吸收的热量，所以也可叫做蒸发热。熔化热和汽化热都叫做物体的潜热。一些物质的汽化热见表四，单位：cal/g。

表四 一些物质的汽化热(cal/g)

在温度和压力都要小于临界值的条件下，将蒸汽冷却或与压缩同时进行时，使蒸汽转变为液体的过程叫做液化。单位重量的蒸汽变成同温度的液体所移去的热量称为冷凝热。冷凝时的温度叫做冷凝温度，冷凝温度在冷凝过程中保持不变。它与冷凝蒸汽的压力有关。

当蒸汽遇到比该蒸汽物质的凝固温度低的物体时，则蒸汽不经过液体能直接凝固成固体而附在低温物体的表面，叫做凝华。例如水蒸汽遇到比水的冰点低的物体时，它就在低温物体的表面结成冰霜，它实际上是升华的逆过程，这一过程显然是要放出热量的。这一现象在制冷和冷冻干燥中是经常遇到的。

冻干技术基础知识⑵

第二节  热和温度

热是物质运动的形式之一。任何物质都是由许许多多的分子所组成，而这些分子都在不停地作无规则的运动，我们称之为热运动。而这些无规则运动的分子所具有的能就叫做热能。

热能的大小用温度来表示。温度越高，分子运动越剧烈，物体的热能也就越多；温度低，分子运动就缓慢，物体的热能就少。温度就是表示物体热或冷的程度，热和冷是相对的，它们都是表示物体所含热能的多少。增加物体的热能叫做加热；移去物体的热能叫做制冷。

温度常用摄氏和华氏二种温标来表示。

摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0℃。水的沸点为100℃。在0～100之间分成100等分，每一等分叫1℃。这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。

华氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为32。水的沸点为212，在32～212之间分成180等分，每一等分叫1°F。这种温标就叫做华氏温标，用符号°F表示。

华氏和摄氏可用下面的公式进行换：

华氏换摄氏：℃=5/9×（°F－32）

另外还有一种温标叫做开氏温标，以摄氏零下273.15度作为零度，也就是开氏零度等于摄氏零下273.15℃。开氏温标用符号°K表示，开氏温标也叫{jd1}温标；开氏零度即零下273.15℃，也叫做{jd1}零度。{jd1}零度是达不到的。

温度只能表示物体冷或热的程度。温度高或温度低，不能从数量上来表示物体热能的多少。因此就有热量的概念。物体吸收或放出热能的多少叫做热量。计算热量的单位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。卡（cal）的单位是这样规定的：把1g水的温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量规定为1卡（cal）。

还有一种热量叫做英热单位，它是这样规定的：把1磅水的温度升高或降低1°F所吸收或放出的热量规定为1个英热单位（BTU）。1英热单位（BTU）=252卡（cal）。

质量相同的不同物质温度升高1℃时所需要的热量是不相同的，我们把单位质量的某种物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热。单位是卡/克·度（cal/g·℃），读作每克每度卡。一些物质的比热见表五。

表五  一些物质的比热(cal/g·℃)

热量能通过传导、对流、辐射三种方式进行传递。

⒈传导：在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。

所有的金属是传热的良导体，非金属是热的不良导体。物质传导热的能力可用导热系数来表示。导热系数是热的传导作用在1平方厘米cm²截面上1秒钟内温差为1℃时通过长度1厘米的热量卡数。单位：卡/厘米·度·秒（cal/cm·℃·s）。一些物质的导热系数见表六。

表六 一些物质的导热系数(cal/cm·℃·s)

⒉对流：在液体或气体包括蒸汽中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上升，其周围冷的部份就被补充其原来地位，形成了对流。热的对流只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。

⒊辐射：高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐射。热辐射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热极少。表面黑、粗糙的物体善于吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反射热。

事实上，热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种方式同时进行，或者是三种方式同时进行的。

为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是利用温度计来完成的。常见的温度计有液体温度计、压力式温度计、双金属温度计、热电偶、热电阻和热敏电阻等。

液体温度计是利用了某些液体的热胀冷缩原理制成的，它封灌在一根细长的玻璃管中，一端有一个膨大部分，以容纳工作液体。常用的液体有酒精、煤油、水银等。

压力式温度计是利用了某些气体的热胀冷缩原理制成的，它实际上是一块刻有温度读数的压力表，压力表通过一根毛细管与一个感温包相连，温度高低的变化引起了压力表压力的变化，根据读数便测知了温度的高低。

双金属温度计是利用了二种不同金属的不同热膨胀系数原理制成的，双金属片卷成螺旋形。当温度变化时，引起了双金属片的运动，从而带动指针指示出了温度。

热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会随温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小便知道温度的高低。

热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的。一定长度的金属丝，当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降。利用惠斯顿电桥能测知温度的高低。

热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。

利用铂电阻测量温度的原理如图二所示，在电桥的AB端接入电源，CD端接上电流表，假设R_t处于0℃，其阻值为100Ω，调整电阻R调在100Ω，这时R_t=R，电桥处于平衡状态，CD两端无电压，电流表无读数。当热电阻R_t温度增加或减少时，则R的电阻也增加或减少，于是R_t≠R，电桥不平衡，CD两端有电压输出，电流表有读数，这个读数就反映了温度的变化，刻上温度便成为温度计。

实际的测量电路比图二要复杂得多，把输出的信号通过适当转换可以直接由数字显示器进行温度的直接显示。改变电路的设计可以进行温度的调节和控制。

热敏电阻是利用了一种半导体材料，其导电性能随温度而变化，其测量温度的原理同热电阻相同。