态:物質在物理上的獨特形式-中文百科頻道

簡介

相可以用常見的物質狀态來描述，像固态、液态和氣态、等離子态、玻色-愛因斯坦凝聚态等。

在固相與液相之間的中間相形成另一種物質狀态，中間相物質是一種很有用的材料。但在同一個物質狀态中也會存在不同的相，例如在鐵-碳合金的相圖中，存在許多物質狀态都是固态或液态的各種不同的相，例如萊氏體、奧氏體、珠光體等。

在溶液裡，溶質對于溶劑在溶解度方面的不同，使得可區分的相的出現成為可能，例如，水（極性分子）在油（非極性分子）中的溶解度很低，而油在水中的溶解度也很低，由水和油形成的混合物，因為二者不互溶，會自然分為二個相，并因此出現清楚的界面。兩種物質的互溶度與它們彼此之間的的分子間作用力有關。一般而言，假若溶質A能夠溶解于溶劑B，則在它們組成的溶液裡，分子間吸引力KAB必須能克服KAA與KBB。分子間吸引力與分子的極性或非極性有關，例如，假若溶質A、溶劑B都是非極性物質，即KAA、KBB都很弱，而KAB也很弱，則溶質A在溶劑B的溶解度可能很高；假若溶質A、溶劑B都是極性物質，即KAA、KBB都很強，而KAB也很強，則溶質A在溶劑B的溶解度可能很高。

類似的概念可以延伸到固體，固體可以形成固溶體，或者結晶形成不同的晶相。互溶的金屬對（metal pair）可以形成合金；無法互溶的金屬對不能形成合金。

舉例而言，化學實驗家已完成展示不互熔性的實驗。在這實驗裡，可以觀察到八種不互熔的相，一層一層的堆排在容器内，按照密度從小至大，分别為石蠟油、矽油、水、苯胺、全氟二甲基環己烷、熔融白磷、熔融镓、水銀。在磷與镓都會熔化的溫度45°C，這系統呈長久穩定平衡。

不是所有有機溶劑都可以彼此互溶，例如乙二醇和甲苯都是有機溶劑，但會分為二個不同的相。

有時候不同的相會自動分離，有清楚的界面，但有時不同的相不一定會有清楚的界面，像乳濁液和膠體都是不互溶的二相形成的混合物，但沒有清楚的相邊界。

2012年加拿大佩裡米特理論物理研究所研究員文小剛在美國《科學》雜志的發表文章提出一種能夠最終對相進行分類的新理論體系，物質有500多種相。該理論可以在任何維度、任何對稱性的基礎上對保有對稱性的相實施構築和分類。

相平衡

在相平衡時，許多的成分可能會形成均勻的一相，但單一相質也有可能在特定溫度及壓力下分為二個或三相不同的相，同一相的物理性質一樣，但相和相之間的物理性質就不同了。

假設在密閉罐子中的水隻占有一部分空間，則會形成兩相，大部分的水是處于液相，靠水分子之間的吸引力而維持液相，但即使在相平衡時，分子仍然在運動，若某一個水分子獲過夠大的動能，就會打破水分子之間的吸引力，由液相變為氣相，當一個水蒸氣分子和水面碰撞，也會凝結成水。在平衡時，水蒸發和凝結的速度相同，液相及氣相的體積都不會改變。

在室溫及一般大氣壓力下，當罐中空氣的濕度到3%時，水和水蒸氣達到平衡。當溫度升高，平衡時的濕度也會上升。在溫度100%時，水會全部變成水蒸氣時，若加熱略超過100度，不隻液體表面的水分子會氣化，液體水整體都會氣化，稱為沸騰。

相的數量

給定一種組成，在特定溫度及壓力下隻有某些相可以存在。相的數量及種類很難預估，一般都是用實驗來求得，實驗的結果會繪成相圖。

在水的相圖中，一個特殊之處為其固液共存的線段（綠色點線）。對于大部分的物質，這條線的斜率為正值（綠色實線），表示若要維持固相和液相共存，溫度升高，壓力就大。但對于水這條線（綠色點線）的斜率為負值，這和冰的密度比水要低有關，将冰加壓會使冰成為密度較高的相，也就是水。

另一個值得注意的特性是液氣共存線、固液共存線彼此相交的點，稱為三相點，在此溫度及壓力下，三相會共存

在實驗方面，平衡線不難繪制，這是因為對于多相系統，溫度與壓力無關。試想由密閉隔溫罐子與活塞組成的一個檢試儀器，假設注入正确數量的水，加熱，則這系統可以被帶到相圖的氣相區域内的任意點。這時，假若用力将活塞緩慢推入罐子，則這系統會在相圖的氣相區域描繪出一條溫度增加與壓力增加的曲線。但是，假若這條曲線遇到液相-氣相平衡線，即氣體開始凝聚成液體的情況，則這系統之後描繪出的曲線會驟然地重疊于液相-氣相平衡線，直到所有水汽體都凝聚成水液體。

界面現象

在平衡的二相的邊界之間，會有一狹窄區域，其性質和這二相都不同，雖然此區域可能非常狹窄，它可能造成顯著與容易觀測到的效應，例如促使液體展示出表面張力。混合物的某些成分可能比較喜歡移動至界面。為了建模、描述或了解某特定系統的物理行為，将界面區域視為獨立分開的一相是個很好的點子。

晶相

同一種物質在固體時可能會有不止一種的相，以水為例，常見的冰是六邊形的結構冰Ih，但也可能會有立方體的結構冰Ic、三方晶系的結構冰II以及其他的結構。

多形體是指一個固體有不隻一種的晶體型式，由一種化學元素組成的多形體則稱為同素異形體。例如石墨、鑽石及富勒烯都是碳的同素異形體。每一種多型體都是獨立的晶相。

相變

主條目：相變

相變是指一物質由一個相轉變為另一個相，

一級相變：當中會伴随着熱量的吸收或釋放，及體積、比熱容、壓縮率等會有變化。例如水蒸發時，蒸發的水分子有較高的動能，因此液體的溫度會下降。産生相變需要的能量（汽化熱）要比将水由室溫加熱到沸點的能量要多，因此蒸發有助于冷卻。相反的，凝結會放熱。從固相變為液相的熱能（或焓）變化稱為熔化熱，而由固相變為氣相的熱能（或焓）變化稱為為升華熱。

二級相變：其體積沒有明顯的變化，沒有潛熱産生，熵也沒有不連續的變化。像超導體在臨界溫度時發生第二種相變，無相變潛熱，但是物質的其他性質會發生變化（導電性等）。

重要的相變還有氦-4在臨界溫度時Lambda相變為無粘滞的超流體、磁鐵在居裡溫度從鐵磁性變成順磁性、金屬-絕緣體相變、量子相變等。

進階定義

對自由能的分析

雖然相的概念從表面上來看非常簡單，但要對它作一個精确的定義卻很困難。一個比較好的定義是一個相是一個在其範圍内其熱力學參數的自由能在參數空間中的函數是解析的。這個定義實際上就是說，假如兩個系統是同一個相的話，那麼在從一個系統轉換到另一個系統的時候它們的熱力學參數不會突然改變。

熱力學中的參數如熵、熱容量、壓縮性等都可以被表示為自由能和它的導數。比如熵是自由能對溫度的導數。隻要自由能是解析的，那麼熱力學的其它參數也是連續的。

假如一個系統從一個相演變為另一個相，那麼在這個過程中總會有一個階段裡自由能是不解析的。這個過程被稱為相變。最常見的相變有溶化（從固态到液态）、凍結（從液态到固态）、蒸發（從液态到氣态）和凝結（從氣态到液态）。由于自由能在這個過程中是不解析的，因此在這個過程的兩邊它是兩個完全不同的函數。兩個相的熱力學參數也完全不同。最顯著的是熱容量，在相變過程中熱容量可以達到無窮大，從一個值跳到另一個值。

亞穩定的相

亞穩定的狀态有時也被看作是相，但精确地說它們并非相，因為它們不穩定。比如一些同素異形體隻有在一定的條件下才穩定。取以上提及的碳為例，鑽石隻有在高壓下才真正穩定。在一般的大氣壓和溫度下鑽石會緩慢地轉變為石墨。但這個過程非常緩慢，因此在常溫和常壓下鑽石是一種亞穩定的狀态。假如溫度加高的話，這個轉化的過程就會加快。