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States of Matter : Introduction to the states or phases of matter.
相關課程
- 我想我們都會對物質的三種不同狀態
- 有一定的了解
- 在很高的溫度下 物質還會呈現第四種狀態
- 不過我們經常會碰到的物質的三種狀態
- 分別是固態 液態 和氣態
- 這是我們一般的概念
- 我覺得水是大家第一時間會想到的例子
- 至少我是這樣
- 當某樣東西比較冷時 或者說相對而言較冷時
- 它就是固體
- 當你給它升溫 物質就會變成液態
- 當你再繼續給它升溫時 它就會變成氣態
- 這經曆了一個從冷變到熱的過程
- 拿水來作爲例子 當水是固體時 它叫做冰
- 當水是液體時 有些人會把它叫做冰水
- 但是我們還是把它稱爲液態水比較好
- 我想大家都知道液態水是什麽東東
- 當水是氣態時
- 實際上就是水汽或者叫做水氣
- 那麽現在讓我們做進一步的思考
- 至少先對於水分子來說
- 然後我們就可以類似地推廣到其他分子
- 到底是什麽東西讓水在比較冷時變成固體
- 又讓水在一定條件下是液體
- 坦白地說 液體真是一樣神奇的東西
- 因爲你永遠沒法把它固定下來
- 最好的研究辦法就只能是觀察
- 這也包括氣體
- 來 我們畫一個水分子
- 這裡有個氧（O）
- 然後有些化學鍵連著氫（H）
- 這時在氧（O）原子裏
- 還有兩對沒有成鍵的價電子
- 在前面幾集的影片裏我們說過
- 氧（O）的電負度比氫（H）的電負度強得多
- 氧（O）更傾向於吸引電子
- 所以雖然在這個圖上畫得好像是
- 這兩個原子的共用電子在這兒和這兒
- 你可以看作是 在這些線段的兩端
- 氫（H）提供了一個電子
- 然後氧（O）
- 也提供了一個電子
- 但我們知道由於氧（O）的電負度比較大
- 或者更準確地說是氧（O）的相對電負度比較大
- 因此氧（O）原子在更多地霸占這些電子
- 所以這些電子更多地在氧（O）原子的周圍出現
- 而較少在氫（H）原子周圍出現
- 這種情況導致了在這個分子的氧（O）原子一邊
- 氧（O）原子帶上了局部的負電荷
- 這個知識點我們已經稍微講過了
- 而在氫（H）原子的一側
- 氫（H）原子帶上了一點點正電荷
- 現在假設這些分子只有很少的動能
- 意味著這些分子不會總是到處亂跑
- 則一個分子中帶正電荷的部分會和
- 另一個分子中帶負電荷的部分相互吸引
- 讓我再多畫幾個分子
- 當我們在研究物質的整體狀態時
- 實際上我們會考慮到
- 分子之間是怎樣相互作用的
- 而不只是單單考慮一個分子中原子之間
- 是怎樣相互作用的
- 我只畫了一個氧（O）原子 我可以複製然後粘帖這個分子
- 不過我其實可以多畫幾個氧（O）
- 這時我們就可以說
- 那個氫（H）原子會想要靠近這個氧（O）原子
- 這是因爲氧（O）原子帶有局部負電荷
- 而氫（H）原子帶有局部正電荷
- 接下來我可以把另一個水分子放在這裡
- 那麽我們可能會有 讓我們先把這個知識點弄得更透徹些
- 這裡有兩個氫（H）原子
- 那就可能會有個氧（O）原子想要靠近這邊
- 那麽就是可能會有個氧（O）原子想要在這裡
- 因爲氧（O）原子所帶的局部負電荷在這裡
- 氧（O）原子所連著的兩個氫（H）原子就在這邊
- 它們帶有局部的正電荷
- 現在你大概可以看到這是一種晶格結構
- 讓我把這些鍵畫出來 這是些極性鍵
- 這些極性鍵就在這些局部之間生成
- 這種化學鍵 我們把它叫做極性鍵
- 這是因爲這些水分子本身就是極性的
- 我們可以看到是這些極性鍵使得晶格結構成形的
- 假設這裡的每個分子
- 每個分子的動能都不是很大
- 或者我們可以說
- 這種物質的平均動能相當的低
- 關於平均動能 我們知道些什麽呢？
- 對 那就是溫度
- 這時這個晶格結構就會是固態的
- 這時這些分子就不會相對滑動
- 我可以再畫很多的分子 不過我想你懂我意思的
- 我們正在把它排列成固定的結構
- 這時該物質是固態的 而當我們加大它的動能時
- 當我們給它加熱 這些分子會發生什麽變化呢
- 加熱會使這些分子發生小小的振動
- 如果我是個漫畫家的話 我就會用個引號
- 來表示振動
- 其實這樣畫並不是太科學的
- 這些分子會不停地振動
- 它們會上下左右地振動
- 我用箭頭來表示這些分子在振動
- 它們不只是左右地振動 它們也會上下地振動
- 而當你不斷地給固體加熱
- 這些分子會盡量保持它們的結構
- 因此它們不會相對地移動
- 我們知道熱量
- 只是能量的一種形式
- 這時這些分子會把熱量轉換成動能
- 進而以分子振動的形式表現出來
- 現在 如果你使這些分子振動得足夠劇烈
- 如果你給它們足夠多的動能
- 接下來會發生什麽呢？
- 看 這個分子非常劇烈地振動著
- 當你不斷地給它加熱時 它會振動得越來越劇烈
- 這個分子也是一樣
- 某種情況下
- 這些本來相互連接的極性鍵
- 開始不能承受分子的劇烈振動
- 當這種情況發生時 這些分子
- 先讓我再多畫幾個
- 當這種情況發生時
- 分子就開始相對地移動
- 突然地
- 分子開始移動
- 不過它們依然是相互吸引的
- 這邊可能會移動到這兒 那邊會移動到那兒
- 其他的分子可能是這樣移動
- 但是這些分子依然是相互吸引的
- 盡管我們使它的動能增加到了
- 分子的振動足夠破壞
- 兩個分子間的極性鍵的程度
- 這種振動 或者是每個分子的動能
- 依然沒有劇烈到使分子間的極性鍵完全破壞
- 於是它們開始進行相對地滑動
- 這實際上就是
- 物質變成了液態
- 這裡有很多的原子傾向於相互接觸
- 但它們在滑動
- 這時它們有了足夠大的動能進行相對滑動
- 這就破壞了固態的晶格結構
- 接下來如果你再給溶液增加更多的動能
- 和增加更多的熱量
- 那麽這時它們就不再可以呆在一起了
- 它們不會再相互呆得這麽靠近
- 如果你給它足夠大的動能
- 它們就將會變成像這樣
- 它們會完全地分開
- 它們就會各自獨立
- 當它們是理想氣體時它們是完全獨立的
- 不過對於一般的氣體而言
- 它們的分子已經不再相互接觸
- 它們有可能會相互碰撞
- 但由於它們自己有足夠大的動能
- 它們都在做自己的事情
- 也就是說它們並不相互接觸
- 如果你就想想氣體是長什麽樣的
- 這就會給你一個非常直觀的理解
- 比如 我們很難看到氣體
- 爲什麽我們很難看得到氣體呢？
- 因爲氣體中的分子之間距離得非常的遠
- 所以氣體不會像液體或固體那樣
- 在光線下表現出來
- 如果我們使分子間距再擴大 固體就會――
- 呃 我或許不應該拿冰來作爲例子
- 因爲冰或水屬於極少數特殊的例子
- 該物質固體的密度比其液體的密度要小
- 這就是冰會浮在水面上的原因
- 這就是 冰山
- 不會都沈到海底的原因
- 和池塘不會完全結成冰的原因
- 不過你可以想象
- 因爲除了水之外的
- 其他大多數液體的密度都比其固體密度要小
- 這就是爲什麽
- 你能比較好地看透液體
- 或者說它並不會使光繞射――
- 好吧 我想我們不要過多地深究下去了
- 而固體就不是這樣了
- 但是氣體是最爲明顯的
- 這個規律同樣適用於水
- 那就是液體的密度明顯地大於氣體的密度
- 在氣態的物質中 分子到處亂跳
- 分子與分子之間不相互接觸
- 正因爲這樣
- 有更多的光線可以通過該氣態物質
- 現在的問題是 我們要怎麽度量出
- 水需要多少熱量才能完成物質狀態的變化？
- 要解釋清楚這個問題
- 接下來我會畫個不同時期的變化圖
- 畫圖是一種高技巧性的分析問題的好方法
- 它可以相當直接地描述一件事物
- 現在我規定橫坐標代表我們所加的熱量
- 縱坐標表示溫度
- 我們馬上就會講到物質的狀態
- 我們通常用q來表示熱量
- 有時候當討論到有關熱量的變化時
- 他們會用小寫的h或是大寫的H表示
- 他們會在H前加個Δ
- Δ表示增量
- 有時候你會聽到“焓”這個詞
- 我把它寫下來吧
- 因爲我曾經說過什麽是焓
- 焓聽起來有點像“颔”\N【譯者注：英文諧音】
- 但它們是很不同的概念
- 至少 對於我來說會産生這樣的聯想
- 不過焓和熱量有密切的關係
- 焓是熱量的度量
- 我們的目標是
- 當你聽到某人說焓變時
- 你應該要想到這也就是在說熱量的變化
- 我覺得焓這個詞
- 就是用來迷惑學化學的孩子們的
- 把一個一點都不直觀的概念灌輸給他們
- 最好的辦法就是把焓看作是熱量的量度
- 焓變實際上就是熱量的變化
- 要記住的是 所有的這些概念
- 不管我們講的是熱量 動能
- 勢能 還是焓
- 你會在不同的情景中聽到這些概念
- 我猜你們會喜歡我用熱量這個概念
- 而有的人喜歡用焓這個概念
- 這些概念都是能量的不同形式而已
- 而它們的單位都是焦耳
- 它們也可以用其他單位表現
- 但是最傳統的單位就是焦耳
- 我們知道能量就是做功多少的能力
- 那麽功的單位是什麽呢？
- 沒錯 就是焦耳 功等於力乘以距離
- 不扯遠了 這只是補充的知識而已
- 不過知道一下焓這個概念還是挺好的
- 特別是在化學的文章中
- 焓是個經常會用到的概念
- 有時焓會顯得很讓人搞不懂和不直觀
- 因爲...
- 在我日常生活中我根本不知道什麽是焓
- 我們只要記住焓跟熱量的聯係就行了
- 因爲實際上焓就是跟熱量有關的
- 回歸正題 這條橫的坐標軸 表示熱量的多少
- 所以在這裡就代表有很少的熱量
- 然後越往後就代表熱量在增加
- 縱坐標表示溫度
- 首先在較低溫度時 在這裡
- 隨著我不斷給它加熱 溫度會升高
- 溫度是平均動能的標志
- 假設在該溫度下物質是固態
- 我用紫色的線來表示固態吧
- 哎呀 紫色已經用過了
- 那我就用洋紅色吧
- 當我不斷給它加熱時 物質的溫度不斷擧升
- 熱量是能量的一種形式
- 當我給這些分子加熱時
- 就像我剛才舉的例子一樣 熱量的作用是什麽呢？
- 熱量會使分子振動得更厲害
- 或者說熱量使分子具有了更高的動能
- 又或者說是使分子具有了更高的平均動能
- 這就是爲什麽
- 溫度是平均動能的度量
- 所以當我給固相加熱時
- 它的平均動能會升高
- 我把這寫下來吧
- 這時物質處於固相
- 或者說物質是固態的
- 接下來有趣的事情發生了
- 我們假設這是水
- 那麽在0℃時水會怎麽樣呢？
- 0℃也就是273.15K
- 假設就是這條線
- 這時候固體會發生什麽變化呢？
- 是的 這時固體會轉化成液體 冰會熔化
- 注意並不是所有的固體都是這樣
- 我們只是在討論水（H2O）
- 所以這時的固體就是冰
- 不是所有的固體都是冰
- 其實 你可以把岩石看作是固態的岩漿
- 因爲實際上就是這樣的
- 我可以舉出一大串類似的不同的例子
- 然而在0℃時有趣的事情發生了
- 根據這時物質狀態的轉化方向是怎樣的
- 0℃可以是水的凝點
- 或是冰的熔點
- 有趣的事情要發生了
- 當我繼續給它加熱時 它的溫度不再擧升
- 當我繼續加熱
- 在一小段時間內溫度不再擧升
- 我畫出來吧
- 在一小段時間內 溫度保持不變
- 在溫度保持不變的時候
- 物質保持固體的形態
- 這時物質仍然是固體
- 接著 才終於由固體變成液體
- 假設就在這一點時固體變成了液體
- 也就是我們給了它一定的熱量
- 但它仍保持固體的狀態
- 當到達這一點時
- 冰才轉化成液體
- 這就好像是在這整段的時間裏它都在不斷熔化
- 這樣子想是最容易理解的
- 接下來 當我們又繼續給它不斷地加熱時
- 這時候液體也開始慢慢暖起來
- 好 這時我們到了
- 還有在什麽溫度下水又會發生有趣的事情呢？
- 是的 很明顯是100℃或者說是373K
- 我用攝氏度表示吧
- 因爲我們比較熟悉攝氏度
- 這時會有什麽發生呢？
- 在100攝氏度時水會蒸發
- 或者說是在該溫度時水會沸騰
- 但有趣的事情出現了
- 這時水分子已經是相當地活躍了
- 但就像是從固體變成液體的過程那樣
- 這裡有一定量的能量
- 這部分能量是你必需提供給該體係的
- 實際上 這裡需要比較大量的能量
- 這時水不斷地變成水氣
- 但整個體係的溫度沒有升高
- 盡管我們不斷地加熱
- 但是我們可以看到溫度是沒有擧升的
- 我們馬上就會講到這到底是怎麽回事
- 這裡到底發生了什麽變化
- 終於 等過了這個點
- 也就是液體完全蒸發 或是說液體完全汽化
- 接下來就可以繼續變熱了
- 蒸汽可以變得更加熱
- 當我們給體係增加越來越多的熱量
- 有趣的問題出現了 我想這已經很明顯了
- 就是當你在這裡加熱
- 溫度會不斷擧升
- 但有趣的是 在這裡究竟怎麽回事呢？
- 我們仍在不斷加熱
- 在這裡熱量轉化成了分子的動能
- 溫度是分子平均動能的標志
- 但是在這兒時 熱量到哪裏去了呢？
- 這時熱量並不是用於增加係統的動能
- 因爲這時溫度並沒有增加
- 但是這時冰不斷地變成水
- 那麽在這個階段發生了什麽呢
- 那些動能 或者說是那些熱量
- 熱量實際上被用來破壞這些鍵
- 也就是把分子弄到
- 更高的狀態
- 也許你會問我 這是什麽意思啊
- 什麽叫做更高的能量狀態啊？
- 是這樣的 如果不是所有的這些熱量
- 如果不是所有的這些動能
- 這些分子就會傾向於相互接近
- 舉個例子吧
- 我傾向於接近地表
- 當你把我放到飛機上時
- 你就是把我提高到了一個更高的能量狀態
- 我有了更多的勢能
- 我有掉到地面上的可能性
- 同樣地 當你把這些分子分開
- 物質就從固態變成液態
- 這些分子會有靠近彼此的傾向
- 但是因爲它們有了足夠大的動能
- 它們不能去靠近彼此
- 這時分子的能量升高了
- 分子的勢能升高了
- 因爲它們傾向於去靠近彼此
- 理論上 在它們彼此靠近的過程中
- 它們會做功
- 所以這裡發生的變化是
- 當我們不斷加熱時
- 我們所提供的這部分熱量
- 我們把它叫做熔化熱
- 不管物質是沿著哪個方向進行轉化
- 都是需要一樣多的熱量
- 當從固體變到液體時
- 你會看到這些熱量用於熔化
- 你需要加進熱量
- 來使冰熔化成液體
- 而當要沿著這個方向轉化時
- 你需要從0℃的水中取出一些熱量
- 進而把水轉化成冰
- 也就是你取出了勢能
- 然後使這些分子
- 相互靠得越來越近
- 我們要這麽想
- 在這裡時 熱量轉變成了動能
- 然後 在從固體變成液體的這個階段
- 吸收的熱量被用於
- 增加係統的勢能
- 把分子分開
- 這會給分子更多的勢能
- 就好像如果你把我帶離地面
- 我就具有了勢能
- 這是因爲重力想要把我拉回到地面
- 如果我跌落回到地表 這一過程我會做功
- 就像瀑布可以做功一樣
- 瀑布做功可以帶動渦輪機
- 如果你有一群正在墜落的我的話
- 這也是可以帶動渦輪機做功的
- 接下來 當物質完全變成液體以後
- 液體就會隨著加熱而變成越來越暖和的液體
- 這時候 熱量就再一次
- 被用於轉化成爲動能
- 水分子就會不斷地進行相對地移動
- 這種相對的移動越來越快 越來越快
- 在某種程度上來說
- 水分子是想要完全擺脫相互之間的束縛
- 它們不是只想要進行相對滑動
- 它們是想要完完全全地跳出相互的束縛
- 就是這裡
- 這裡代表的是蒸發熱
- 在這裡也是同樣的道理
- 之前 水分子只是相對地滑動
- 而現在 我們把它們分開了
- 顯然水分子會有相互靠近的傾向
- 在我們加進了這麽多的熱量後
- 我們再繼續給蒸汽加熱
- 我們給水氣加熱
- 水氣就會變得越來越熱 越來越熱
- 不過這裡有個很有趣的現象
- 當我第一次接觸到的時候
- 覺得很有趣
- 每當想到零攝氏度的水時 我很自然地就會說那一定是冰
- 但是其實這並不是必然的情況
- 如果你是把水變得越來越冷
- 使它變到零攝氏度的話
- 實際上你是把水中的熱量取出
- 你會得到零攝氏度的水
- 這時的水還沒有變成冰
- 同樣地 你也可以得到100攝氏度的水
- 這時的水還沒有變成水氣
- 這過程你需要加進更多的熱量
- 同理 你也可以得到100攝氏度的水氣
- 你也可以得到零攝氏度的水
- 不管怎樣 希望這會對你
- 在直觀地認識物質的不同狀態上有所幫助
- 接下來的問題中 我們會探討
- 這條線表示的是需要多少的熱量
- 或許我們還可以解決一下現實問題
- 那就是我們需要放多少冰塊來使飲料變得冰涼
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