物態的轉變

物態的轉變：熔融、凝固、沸騰與凝結

你有沒有看過檸檬茶裏的冰塊慢慢消失，或者看見蒸汽從電飯煲衝出來？這些都是物態變化。在這一課，你會學習各種物態變化的名稱，證明冰熔融時質量維持不變，找出熱能去了哪裏，並像科學家一樣解讀溫度—時間圖。我們開始吧！

粒子在固體、液體和氣體中如何排佈，已在粒子理論和物質三態的粒子模型兩課講解。這一課我們集中看物態變化進行期間發生甚麼事。

1. 各種物態變化

物態變化是一種物理變化：物質的形態改變了，但仍然是同一種物質。冰、液態水和蒸汽都是水。

熔融與凝固

熔融（又稱熔化）——固體受熱後變成液體（例如炎夏中的雪糕筒）。
凝固——液體冷卻後變成固體（例如水在冰格中變成冰塊）。

固體在熔點熔融，液體在凝固點凝固。純物質的熔點和凝固點是同一個溫度。純水的熔點和凝固點都是 0 °C。

沸騰、蒸發與凝結

沸騰——液體在固定的沸點迅速變成氣體，整個液體內部都會產生氣泡。在正常氣壓下，純水的沸點是 100 °C。
蒸發——液體只在表面慢慢變成氣體，在低於沸點的溫度也會發生（例如濕衣服在晾衣架上變乾）。
凝結——氣體冷卻後變成液體（例如在香港潮濕的日子，冰凍汽水罐外面出現水珠）。

升華：簡單認識

少數物質會由固體直接變成氣體，這稱為升華。用來保持雪糕月餅冰凍的乾冰（固態二氧化碳）就會升華。

記憶口訣——「熱進、熱出」：
吸收能量（熱進）：熔融、沸騰、蒸發、升華（粒子被「釋放」）。
釋放能量（熱出）：凝固、凝結（粒子「安頓下來」）。

重點提要：熔融、凝固、沸騰、蒸發、凝結和升華都是物態變化，它們都是物理變化。

2. 質量維持不變

冰熔融後，質量會增加還是減少？科學家不會靠估，而是會做實驗驗證。

實驗：比較冰熔融前後的質量

假說：冰熔融時，質量會維持不變。

1. 把一些冰塊放進容器，蓋緊蓋子。
2. 用電子天平量度質量。
3. 等待冰塊完全熔融。
4. 抹乾容器外面，再量度一次質量。

結果：兩次讀數相同（只有很細微的誤差），所以數據支持假說。

\(\text{熔融前的質量} = \text{熔融後的質量}\)

為甚麼要蓋好蓋子和抹乾容器？

如果不蓋蓋子，部分水會蒸發，質量便好像減少了。冰凍的容器亦會令空氣中的水蒸氣在外面凝結，質量便好像增加了。蓋好蓋子和抹乾容器，可確保這是公平測試。

實驗：把密封膠樽中的水凝固

先量度一個蓋好蓋子、盛着水的膠樽的質量，放進冰格過夜，抹乾後立即再量度一次。質量相同，但膠樽會脹起，因為水凝固時會膨脹。改變的是體積，而不是質量。（切勿把裝滿水的玻璃樽放進冰格——它可能會爆裂。）

為甚麼質量維持不變？

過程中沒有粒子加入，也沒有粒子離開；粒子只是改變了排佈和運動方式。粒子相同，質量便相同。（粒子圖像見粒子理論一課。）

重點提要：物質熔融或凝固時，質量維持不變。體積可能改變，但物質沒有增加或減少。

3. 能量進出，但溫度維持恆定

一邊攪拌，一邊慢慢加熱碎冰。即使你不斷加熱，溫度計的讀數仍然停留在約 0 °C，直至所有冰都熔融為止！能量去了哪裏？

吸收能量：熔融和沸騰

在熔融和沸騰期間，物質會吸收熱能。這些能量用來克服粒子之間的吸引力，而不是令粒子運動得更快。所以在物態變化完成之前，溫度維持恆定。蒸發也會吸收熱能，這就是為甚麼體育課後出汗可以令你降溫。

釋放能量：凝固和凝結

在凝固和凝結期間，物質會把熱能釋放到周圍，溫度同樣維持恆定。在冰格中，冷空氣會把這些能量帶走。

你知道嗎？雖然蒸汽和沸水都是 100 °C，但被蒸汽燙傷通常比被沸水燙傷更嚴重，因為蒸汽會在皮膚上凝結，釋放額外的熱能。打開電飯煲或點心蒸籠時要小心！另外，水煲上方的白色「霧」其實不是蒸汽。蒸汽是看不見的；那團白霧是由凝結而成的微小水點組成的。

重點提要：熔融和沸騰會吸收熱能；凝固和凝結會釋放熱能。物態變化期間，溫度維持恆定。

4. 解讀溫度—時間圖

溫度—時間圖的 x 軸是時間，y 軸是溫度。加熱時繪畫的圖稱為加熱曲線；冷卻時繪畫的圖稱為冷卻曲線。

黃金法則：
傾斜部分 = 溫度正在改變 = 只有一種物態。
平坦部分 = 溫度恆定 = 正在發生物態變化，兩種物態同時存在。

水的加熱曲線

把冰格中 -10 °C 的冰穩定地加熱，直至沸騰：

A 至 B（向上傾斜）：固態的冰由 -10 °C 升溫至 0 °C。
B 至 C（在 0 °C 保持平坦）：冰正在熔融；冰和水同時存在。
C 至 D（向上傾斜）：液態的水由 0 °C 升溫至 100 °C。
D 至 E（在 100 °C 保持平坦）：水正在沸騰；水和蒸汽同時存在。
E 之後：只剩下蒸汽，溫度繼續上升。

D 至 E 比 B 至 C 長得多：把水完全沸騰成蒸汽所需的能量，比熔融同等質量的冰多得多。

硬脂酸的冷卻曲線

硬脂酸是一種白色、像蠟的固體，熔點約為 69 °C，所以可用熱水浴把它熔融。讓已熔融的硬脂酸冷卻，典型結果如下：

時間（分鐘）：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9
溫度（°C）：80、75、71、69、69、69、69、69、66、62

0 至 3 分鐘（向下傾斜）：液體冷卻。
3 至 7 分鐘（在 69 °C 保持平坦）：硬脂酸正在凝固；液體和固體同時存在，並釋放熱能。
7 分鐘之後（向下傾斜）：固體冷卻至接近室溫。

所以它的凝固點是 69 °C，而加熱曲線會顯示它的熔點也是同一溫度。

如何讀出熔點、凝固點和沸點

步驟 1. 找出平坦部分。
步驟 2. 橫向讀出對應的溫度。
步驟 3. 說出是哪種變化。在加熱曲線上，較低的平坦部分是熔點，較高的是沸點。在冷卻曲線上，較高的平坦部分是氣體凝結的溫度，較低的是凝固點。

純物質與混合物

純物質（例如純水、硬脂酸）在固定溫度熔融和沸騰，所以圖中有清晰的平坦部分。蠟燭的蠟（石蠟）是混合物，會在一個溫度範圍內逐漸軟化和熔融，所以圖線只會緩緩彎曲。雜質也會改變這些溫度：鹽水的凝固點低於 0 °C，沸點則高於 100 °C。

重點提要：傾斜部分表示一種物態正在升溫或降溫；平坦部分表示物質正在熔點（凝固點）或沸點發生物態變化。

5. 實驗：加熱物質並繪畫溫度—時間圖

這是本單元的重點實驗。

步驟

假說：固態硬脂酸熔融時，溫度會維持恆定。

1. 把溫度計（或連接數據記錄器的溫度探測器）插在沸騰管內固態硬脂酸的中間。
2. 把沸騰管夾在一燒杯水中，慢慢加熱。這個水浴能溫和而均勻地加熱物質。
3. 每 30 秒記錄一次溫度，直至所有固體熔融，而且溫度再上升一點。
4. 硬脂酸熔融後，用攪拌棒輕輕攪拌，不要用溫度計攪拌。記得戴上護目鏡。

結論：如果固體熔融期間圖中出現平坦部分，數據便支持假說。

變量與繪畫圖表

自變量：時間。因變量：溫度。控制變量：例如物質的份量、加熱速率和溫度計的位置。

以 x 軸表示時間，y 軸表示溫度，在兩條軸上標明單位（分鐘、°C），並畫出一條平滑的曲線。明顯偏離的數據點可以略過。

誤差來源與改善方法

視差誤差——改善：視線與溫度計內的液面保持水平。
溫度計碰到玻璃（玻璃可能比物質更熱）——改善：把溫度計夾好，令玻璃泡位於物質中間。
加熱不均勻或太快（平坦部分會變短和不清晰）——改善：使用水浴、細小的火焰並輕輕攪拌。
能量散失到周圍——改善：為燒杯加蓋或包上隔熱物料。
讀數太遲——改善：使用數據記錄器自動記錄。

準確度、精密度與重複實驗

準確度是指結果與真實數值有多接近：量度沸水時，99 °C 比 96 °C 更準確。精密度是指重複量度所得的讀數彼此有多接近。重複實驗，並計算平坦部分溫度的平均值。如果某個讀數與其他讀數相差很遠（異常值），應檢查並重新量度。

重點提要：溫和而均勻地加熱，定時仔細讀數，並重複實驗。

常見錯誤

常見錯誤 1：「繼續加熱沸水，它會變得更熱。」正確：溫度會維持在沸點；額外的能量會把更多水變成蒸汽。

常見錯誤 2：「水凝固時會變輕，因為冰會浮。」正確：質量維持不變。冰會浮，是因為同等質量的冰體積較大，所以密度較低（見密度一課）。

常見錯誤 3：「平坦部分代表停止了加熱。」正確：加熱仍在進行；能量用來改變物態。

常見錯誤 4：「糖在熱茶中熔融。」正確：糖是溶解（見溶解一課）。熔融是指固體受熱後變成液體。

重點回顧

1. 熔融：固體 → 液體。凝固：液體 → 固體。沸騰／蒸發：液體 → 氣體。凝結：氣體 → 液體。升華：固體 → 氣體。
2. 物質熔融或凝固時，質量維持不變。
3. 熔融和沸騰會吸收熱能；凝固和凝結會釋放熱能。
4. 物態變化期間，溫度維持恆定。
5. 傾斜部分 = 一種物態；平坦部分 = 物態變化。
6. 純水的熔點是 0 °C，沸點是 100 °C。

做得好！多練習解讀這些圖表，你很快就能像專家一樣讀懂它們！