相变材料主题展区

2025-02-06 19:55:29

相变材料是指在物质发生相变（通常指一级相变）过程中，可以吸收或释放大量能量（即相变焓）的一类材料。值得注意的是，在一级相变过程中，理论上温度是不变的。正是由于相变材料在相变过程中能够吸收或释放大量能量，并且温度保持不变的优异特性，使其在许多工业领域得到了广泛应用。而在相变过程中，每种材料单位质量能吸收或者释放的热量，就是我们所说的相变潜热，单位是J/g。那么，是什么决定了物质的相变潜热大小？这背后又隐藏着什么样的科学原理？这些问题的答案是工业和科学界寻求高产量、低成本人造高潜热材料的关键。

值得注意的是，与潜热相对的是比热容。通过比热容计算的量往往是显热，即不发生相变的情况下，物质在温度变化时吸收或释放的热量。显热伴随着温度变化，因此不具备控温的能力。在控温领域，材料依靠的是其相变潜热。

根据以上对相变潜热的定义，我们进一步观察相变潜热在同一种物质的不同相态变化过程中的大小，相态的变化一般指的是固态、液态、气态之间的转换，而液态转变为气态（汽化）过程中的潜热往往要大于物质从固态转变为液态（熔化）过程中的潜热大小。例如，水的熔化潜热为334 J/g，而汽化潜热高达2260 J/g。可以看到，同一种物质的不同相态变化的潜热大小是显著不同的。

我们再来看下不同物质发生同样相态变化的不同潜热大小。

具体来说，物质的构成方式可以分为分子、原子和离子三种，这些不同的构成方式的内部包含了不同的化学键，比如说水分子由共价键组成，铁单质由铁原子的金属键组成，氯化钠分子由氯原子和钠原子的离子键组成。

而即使由相同的化学键组成物质的情况下，也存在构成物质的方式的不同性，比如说水是以分子态存在，水分子内部由共价键组成，常态下水分子之间是由氢键结合的；二氧化硅内部也由共价键组成，但二氧化硅不存在独立的分子，常态下是由硅原子和氧原子以共价键形成的网络结构；与水相比，二氧化硅只存在共价键，不存在分子间的氢键。

通过下列熔化潜热和汽化潜热的列举，可以看到不同的化学键，以及物质内部的不同的结合方式，影响了物质的潜热值，以及它们的熔点和沸点。

常温下为液态的水和乙醇为例，水的熔化潜热为334 J/g，而乙醇的熔化潜热为109 J/g；水的汽化潜热为2260 J/g，乙醇的汽化潜热为841 J/g。

常温下为固态的聚乙二醇和石蜡为例，聚乙二醇的熔化相变潜热为150-220 J/g，石蜡的熔化相变潜热为80-120 J/g。

常温下为气态的二氧化碳和氨气为例，二氧化碳的升华相变潜热为573 J/g，氨气的汽化相变潜热为1370 J/g。

同样常温下为固体的铁、二氧化硅和氯化钠为例，铁的熔化潜热为272 J/g，二氧化硅的熔化潜热为1500 J/g，氯化钠的熔化潜热为406 J/g；而铁的汽化潜热为6300 J/g，二氧化硅的汽化潜热为13800 J/g，氯化钠的汽化潜热2924 J/g。

通过以上的数据列举，显然说明了熔沸点和相变潜热大小没有关联性，因为熔点超过1000℃的铁的熔化潜热比熔点在0℃的水的熔化潜热低，而熔点在801℃的氯化钠的熔化潜热比水要高；同时也看到了同样以共价键组成的水和二氧化硅的熔化潜热和汽化潜热差异巨大。

那么，到底是什么决定了物质的相变潜热呢，在这里我们讨论的相变是物理过程而非化学过程，而物理变化过程其实是分子或原子间距离发生了改变，而决定分子或原子间距离的是分子或原子的结合方式，即之前提到的不同的化学键和分子间作用力，以及分子或原子的动能大小。

以水为例，固体状态下，水分子主要以氢键结合，每个水分子形成4个氢键，而在液体状态下，由于水分子的运动自由度远高于固态下，因此平均每个水分子形成的氢键是少于固态状态下的4个的，同时液态水分子的动能大于固态下的水分子，因此可以认为固体水和液体水中氢键以及水分子的动能的能量差之和就是水分子的熔化潜热，同理可得，气体水和液体水中氢键和水分子的动能能量差就是水分子的汽化潜热，而气态水分子之间的力主要是范德华力，几乎没有氢键的作用，所以我们可以简单认为，水的熔化以及汽化过程，克服的主要是氢键对于水分子的束缚力，水分子内部的共价键并没有遭到破坏。

现在我们再来看二氧化硅，固态二氧化硅是由硅原子和氧原子通过共价键连接形成的网络状结构，同时这种网络结构非常稳定；液态的二氧化硅中，硅原子和氧原子之间仍然主要通过共价键连接，但部分共价键已经发生了断裂，即固态的一个单一网状结构变成了液态的多个不同的网状结构；而气态的二氧化硅是由单个二氧化硅分子组成的，大量的共价键在汽化的过程中被破坏，而共价键的强度远超氢键，因此破坏共价键所需要的能量远超破坏氢键所需要的能量，所以解释了为什么二氧化硅的熔化潜热和汽化潜热都比水要大得多。

因此，我们可以得出结论，决定物质相变潜热的因素是在该物质发生相变过程中需要破坏的化学键或者分子间作用力所需要的能量大小。在这里不讨论分子动能了，因为决定动能大小的主要因素