物态的转变：熔化、凝固、沸腾与凝结
你有没有看过柠檬茶里的冰块慢慢消失，或者看见蒸汽从电饭锅冲出来？这些都是物态变化。在这一课，你会学习各种物态变化的名称，证明冰熔化时质量维持不变，找出热能去了哪里，并像科学家一样解读温度—时间图。我们开始吧！
粒子在固体、液体和气体中如何排列，已在粒子理论和物质三态的粒子模型两课讲解。这一课我们集中看物态变化进行期间发生什么事。
1. 各种物态变化
物态变化是一种物理变化：物质的形态改变了，但仍然是同一种物质。冰、液态水和蒸汽都是水。
熔化与凝固
熔化（也称熔融）——固体受热后变成液体（例如炎夏中的冰淇淋甜筒）。
凝固——液体冷却后变成固体（例如水在冰箱冷冻室中变成冰块）。
固体在熔点熔化，液体在凝固点凝固。纯物质的熔点和凝固点是同一个温度。纯水的熔点和凝固点都是 0 °C。
沸腾、蒸发与凝结
沸腾——液体在固定的沸点迅速变成气体，整个液体内部都会产生气泡。在正常气压下，纯水的沸点是 100 °C。
蒸发——液体只在表面慢慢变成气体，在低于沸点的温度也会发生（例如湿衣服在晾衣架上变干）。
凝结（液化）——气体冷却后变成液体（例如在潮湿的夏天，冰冻饮料罐外面出现水珠）。
升华：简单认识
少数物质会由固体直接变成气体，这称为升华。用来保持冰淇淋月饼冰冻的干冰（固态二氧化碳）就会升华。
记忆口诀——“热进、热出”：
吸收能量（热进）：熔化、沸腾、蒸发、升华（粒子被“释放”）。
释放能量（热出）：凝固、凝结（粒子“安顿下来”）。
重点提要：熔化、凝固、沸腾、蒸发、凝结和升华都是物态变化，它们都是物理变化。
2. 质量维持不变
冰熔化后，质量会增加还是减少？科学家不会靠猜，而是会做实验验证。
实验：比较冰熔化前后的质量
假说：冰熔化时，质量会维持不变。
1. 把一些冰块放进容器，盖紧盖子。
2. 用电子天平测量质量。
3. 等待冰块完全熔化。
4. 擦干容器外面，再测量一次质量。
结果：两次读数相同（只有很细微的误差），所以数据支持假说。
\(\text{熔化前的质量} = \text{熔化后的质量}\)
为什么要盖好盖子和擦干容器？
如果不盖盖子，部分水会蒸发，质量便好像减少了。冰冻的容器也会使空气中的水蒸气在外面凝结，质量便好像增加了。盖好盖子和擦干容器，可确保这是公平测试。
实验：把密封塑料瓶中的水凝固
先测量一个盖好盖子、装着水的塑料瓶的质量，放进冰箱冷冻室过夜，擦干后立即再测量一次。质量相同，但塑料瓶会胀起，因为水凝固时会膨胀。改变的是体积，而不是质量。（切勿把装满水的玻璃瓶放进冰箱冷冻室——它可能会爆裂。）
为什么质量维持不变？
过程中没有粒子加入，也没有粒子离开；粒子只是改变了排列和运动方式。粒子相同，质量便相同。（粒子图像见粒子理论一课。）
重点提要：物质熔化或凝固时，质量维持不变。体积可能改变，但物质没有增加或减少。
3. 能量进出，但温度维持恒定
一边搅拌，一边慢慢加热碎冰。即使你不断加热，温度计的读数仍然停留在约 0 °C，直至所有冰都熔化为止！能量去了哪里？
吸收能量：熔化和沸腾
在熔化和沸腾期间，物质会吸收热能。这些能量用来克服粒子之间的吸引力，而不是令粒子运动得更快。所以在物态变化完成之前，温度维持恒定。蒸发也会吸收热能，这就是为什么体育课后出汗可以令你降温。
释放能量：凝固和凝结
在凝固和凝结期间，物质会把热能释放到周围，温度同样维持恒定。在冰箱冷冻室中，冷空气会把这些能量带走。
你知道吗？虽然蒸汽和沸水都是 100 °C，但被蒸汽烫伤通常比被沸水烫伤更严重，因为蒸汽会在皮肤上凝结，释放额外的热能。打开电饭锅或点心蒸笼时要小心！另外，水壶上方的白色“雾”其实不是蒸汽。蒸汽是看不见的；那团白雾是由凝结而成的微小水滴组成的。
重点提要：熔化和沸腾会吸收热能；凝固和凝结会释放热能。物态变化期间，温度维持恒定。
4. 解读温度—时间图
温度—时间图的 x 轴是时间，y 轴是温度。加热时绘制的图称为加热曲线；冷却时绘制的图称为冷却曲线。
黄金法则：
倾斜部分 = 温度正在改变 = 只有一种物态。
平坦部分 = 温度恒定 = 正在发生物态变化，两种物态同时存在。
水的加热曲线
把冰箱冷冻室中 -10 °C 的冰稳定地加热，直至沸腾：
A 至 B（向上倾斜）：固态的冰由 -10 °C 升温至 0 °C。
B 至 C（在 0 °C 保持平坦）：冰正在熔化；冰和水同时存在。
C 至 D（向上倾斜）：液态的水由 0 °C 升温至 100 °C。
D 至 E（在 100 °C 保持平坦）：水正在沸腾；水和蒸汽同时存在。
E 之后：只剩下蒸汽，温度继续上升。
D 至 E 比 B 至 C 长得多：把水完全沸腾成蒸汽所需的能量，比熔化同等质量的冰多得多。
硬脂酸的冷却曲线
硬脂酸是一种白色、像蜡的固体，熔点约为 69 °C，所以可用热水浴把它熔化。让已熔化的硬脂酸冷却，典型结果如下：
时间（分钟）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9
温度（°C）：80、75、71、69、69、69、69、69、66、62
0 至 3 分钟（向下倾斜）：液体冷却。
3 至 7 分钟（在 69 °C 保持平坦）：硬脂酸正在凝固；液体和固体同时存在，并释放热能。
7 分钟之后（向下倾斜）：固体冷却至接近室温。
所以它的凝固点是 69 °C，而加热曲线会显示它的熔点也是同一温度。
如何读出熔点、凝固点和沸点
步骤 1. 找出平坦部分。
步骤 2. 横向读出对应的温度。
步骤 3. 说出是哪种变化。在加热曲线上，较低的平坦部分是熔点，较高的是沸点。在冷却曲线上，较高的平坦部分是气体凝结的温度，较低的是凝固点。
纯物质与混合物
纯物质（例如纯水、硬脂酸）在固定温度熔化和沸腾，所以图中有清晰的平坦部分。蜡烛的蜡（石蜡）是混合物，会在一个温度范围内逐渐软化和熔化，所以图线只会缓缓弯曲。杂质也会改变这些温度：盐水的凝固点低于 0 °C，沸点则高于 100 °C。
重点提要：倾斜部分表示一种物态正在升温或降温；平坦部分表示物质正在熔点（凝固点）或沸点发生物态变化。
5. 实验：加热物质并绘制温度—时间图
这是本单元的重点实验。
步骤
假说：固态硬脂酸熔化时，温度会维持恒定。
1. 把温度计（或连接数据采集器的温度传感器）插在大试管内固态硬脂酸的中间。
2. 把大试管夹在一烧杯水中，慢慢加热。这个水浴能温和而均匀地加热物质。
3. 每 30 秒记录一次温度，直至所有固体熔化，而且温度再上升一点。
4. 硬脂酸熔化后，用搅拌棒轻轻搅拌，不要用温度计搅拌。记得戴上护目镜。
结论：如果固体熔化期间图中出现平坦部分，数据便支持假说。
变量与绘制图表
自变量：时间。因变量：温度。控制变量：例如物质的分量、加热速率和温度计的位置。
以 x 轴表示时间，y 轴表示温度，在两条轴上标明单位（分钟、°C），并画出一条平滑的曲线。明显偏离的数据点可以略过。
误差来源与改善方法
视差误差——改善：视线与温度计内的液面保持水平。
温度计碰到玻璃（玻璃可能比物质更热）——改善：把温度计夹好，令玻璃泡位于物质中间。
加热不均匀或太快（平坦部分会变短和不清晰）——改善：使用水浴、较小的火焰并轻轻搅拌。
能量散失到周围——改善：为烧杯加盖或包上隔热材料。
读数太迟——改善：使用数据采集器自动记录。
准确度、精密度与重复实验
准确度是指结果与真实数值有多接近：测量沸水时，99 °C 比 96 °C 更准确。精密度是指重复测量所得的读数彼此有多接近。重复实验，并计算平坦部分温度的平均值。如果某个读数与其他读数相差很远（异常值），应检查并重新测量。
重点提要：温和而均匀地加热，定时仔细读数，并重复实验。
常见错误
常见错误 1：“继续加热沸水，它会变得更热。”正确：温度会维持在沸点；额外的能量会把更多水变成蒸汽。
常见错误 2：“水凝固时会变轻，因为冰会浮。”正确：质量维持不变。冰会浮，是因为同等质量的冰体积较大，所以密度较低（见密度一课）。
常见错误 3：“平坦部分代表停止了加热。”正确：加热仍在进行；能量用来改变物态。
常见错误 4：“糖在热茶中熔化。”正确：糖是溶解（见溶解一课）。熔化是指固体受热后变成液体。
重点回顾
1. 熔化：固体 → 液体。凝固：液体 → 固体。沸腾／蒸发：液体 → 气体。凝结：气体 → 液体。升华：固体 → 气体。
2. 物质熔化或凝固时，质量维持不变。
3. 熔化和沸腾会吸收热能；凝固和凝结会释放热能。
4. 物态变化期间，温度维持恒定。
5. 倾斜部分 = 一种物态；平坦部分 = 物态变化。
6. 纯水的熔点是 0 °C，沸点是 100 °C。
做得好！多练习解读这些图表，你很快就能像专家一样读懂它们！