相变散热连载之 什么是相变
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正文
任何物质在常温常压都呈现一种状态，在常温常压下水是液态，氧是气态。这些固态、液态、气态统称为相态。物质所具备的物理特性，很大程度上取决于它的相态。我们平时所喝的水，当温度在0℃下结成了冰，冰是固体，很难把坚硬有形的冰与柔软流动的水相比。工程技术人员对钢的强度、硬度关心备至，然而到了1400℃的高温下，钢铁相态改变，熔成铁水，铮铮铁骨荡然无存，强度、硬度也无从谈起。我们所说的物质的物理特性，都是在一定相态下所具有的，相态变化--相变了，流水成了坚冰；钢筋铁骨成了钢水铁水，诸多的物理特性都面目全非。
众所周知，温度、压力是物质相变的重要原因。（为了便于讨论，我们先把引起相变的两因素中，暂时固定一个，即在一个标准大气压下，温度对相变的作用。）温度的作用虽然至关重要，然而只有达到了某一特定值，相变才能发生，这就是我们熟知的熔点、沸点，在大多情况下，温度变化并不能导致相变，只能使物质发生热胀冷缩。
热胀冷缩
随着温度的变化，物质会热胀冷缩，温度升高体积增大。人们已经很精密的测量到一些物体随温度升高时长度增加，精确地记录了一些物体的线膨胀系数。
因为物质是是由原子构成，热胀了，肯定是原子之间的间隙增大、或是原子半径胀大了。为什么温度升高能够增加间隙、增大半径？
"温度"最初是人类对外界冷热的感知，现代有了各种温度计来测量物质的冷热程度。温度实质上就是核外电子运转的速度。核外电子速率加快，宏观的表现就是温度升高。
核外电子绕着原子核快速运转着，价和电子则是绕着两个核心进行价和运转。温度升高，核外电子速率加快，使得向心力加大，运转的半径也略微加大，结构元也略微加大，宏观的表现是热胀。反之，温度降低，核外电子速率降低，减小了向心力--运转半径--结构元，宏观的表现是冷缩。
然而，有的物质是冷胀热缩，如零下4℃的水和冰。
温度的作用
温度对物质形态及结构的作用是巨大的。而热胀冷缩的这种热胀是有限的，这个限度是随着温度的升高，物质自身的状态发生了变化。
如果温度压力超过了一定限度，物质的形态会发生巨大的变化，物质不只是简单的热胀冷缩，而是物质的相态发生了变化--相变，即：随着物质的温度升高、固体能相变成液体、液体能相变成气体。而且这种相变的是可逆的，即随着温度的降低、气体能相变成液体、液体能相变成固体。相变了，物质的物理性质、机械性能发生了不可比拟的巨大变化。这样的变化，外因是温度压力，内因是什么？现代教课书上把内因笼统地归结为分子的热运动，热是怎样使得分子运动的？分子在热作用下是如何运动的？说得模糊含混。
相变在物质内是如何进行，原子之间是如何紧密地连系--形成固体；如何"松散"地连系--形成液体；如何又分道扬镖--形成气体？有的气体物质如：水蒸气，在大气中仅占千分之几，它们如何在"茫茫人海"找到同类、相聚成液体？原子之间是如何牵手分手，分子之间如何相聚相散，仍是当代科技研究的前沿课题。
本文的核心是正视电子的运动，探索核外电子的运动在物质构成、变化中所起的作用。在此，以核外电子的运动为线索，探讨物质相变的本来面目。
原子的核外电子是运动、变化的，而且运转速率与温度直接相关。物质之所以呈现为气、液、固态，温度、压力是外因，物质的电子运动状态（线路、速率），及由此导致的结构元之间连接形式，则是构成物质相态的根本原因。
物质的结构形状是由其电子运动状态所决定的，温度对电子运动状态的作用是通过原子核来实现。以往囿于原子是化学反应的基本微粒的理论而把原子核看成一个僵化的质点，忽略了原子核对周围电子的需求和控制作用。加之有些理论认为电子的运动是模糊的、不确定的。从而使研究工作陷入主观盲目之中。
原子虽小，但它也有复杂的构成，是一个运动着的有机的整体。所有物质的核外电子有规定的数目、在有规律的层面（能级）、以规律的线路、规律的速率运转着。在原子的最外层客观地存在着各面对电子的需求、故而两原子相互结合成结构元。
前已述及温度就是核外电子运转的速度。温度升高则核外电子速率加快，反之温度降低则核外电子速率减慢。温度对物质的相变的作用是巨大的，实质上也就是说价和电子的运转对物质相变的作用是至关重要的。
熔化
随着外界温度升高，一般物体都是由固体相变成液体--熔化（如铁熔成了铁水）；由液体相变成气体（由水蒸发成水蒸气）。千百年来人们总是在思索，这样的变化是如何进行的？温度是怎样起作用的？
熔化是物质由固态相变成液态的过程，为此，先从固态物体的物质结构入手，在原子之间、在结构元之间看它是如何运动变化、是怎样进行熔化的。
宏观上看，固态物质有一定的自身形状、有一定的刚性，能承受一定的外力，它不会象液体那样充满容器，又不会象气体那样被压缩。固态是在较低温度条件下的物质状态、固态是物质的最低能量状态。
物质的结构是由价和电子的运转所形成，在固体物质中，位于原子外层、次外层的所有价电子全部参入价和运转。价和电子的运转的速率虽不是很高，但运转线路在固定的平面却相当稳定，价和力、电磁力的方向十分稳定，从而使各结构元的位置相对固定，形成了具有刚性的固体结构。
当物质的外电子数大于三时，物质是由结构元所连成的空间架体结构，构成了固体，价和力是其主要内力。
价电子数等于或小于三的物质一般是金属，金属物体则是由结构元之间稳定的电磁力把结构元相互吸引，使结构元整齐有序的排列，构成固体，电磁力是其主要内力。
可见，价和力和定向的电磁力是支撑物质固体结构的骨架，而相变成液态物质就丧失了这些骨架。价和力与电磁力都是价和电子运转所至，所以，要了解相变，就必须关注价和电子的运动与变化。价和电子运动的线路和速率的变化，使得构成结构元的价和力和结构元之间的电磁力改变，物质的内聚力变化了、结构元之间的连接方式改变了，从而也改变了物质的相态。
在金属物体或以电磁力为主的固体中，随着外界温度的升高，价和电子的速率升高，许多结构元挤在一起，不可能有更多的膨胀空间，于是，许多价和电子脱离了原相互稳定平行的平面轨道，在一定的角度范围内围绕两核心进行空间立交的扭曲运转，从而使得电磁力方向在一定角度范围内摇转，造成了电磁力方向紊乱，因而也导致了相邻的结构元的电磁力方向的紊乱，这样紊乱的电磁力使得结构元之间的的引力不稳，在外力的作用下容易换位移动，宏观的表现是物体此时受到外力时很容易变形，物体的刚性降低、塑性增加。
当温度进一步升高，价和电子的速率更高、扭转角度更大，电磁力的方向更加紊乱，结构元失去了定向电磁力的支持，同时又受到侧向电子间斥力的干扰，在物质内换位、滚动、转向、重组。原来的金属物体的刚性彻底消失--物体熔化了，相变成了液体。
这样，熔化的过程已经明朗了：温度升高，导致了价和电子的运动速率加快并由平面进入到立交，形成了扭曲运转，从而使得电磁力方向紊乱，结构元之间丧失了定向的连接，宏观的表现就是熔化。
需说明的是在液体内部物质仍然以结构元的形式存在，这些结构元成链成团成环、时合时分，不能形成整齐连续的架体结构，但物质内仍有一定的价和力、电磁力，（但方向紊乱、瞬变），正是如此才构成了液体的内聚力，构成了液体内分子的布朗运动，构成了液体表面张力。
温度降低时液体内结构元间电磁力较持久、结构元间聚合力增大，(链长团大）宏观的表现就是粘度增大、表面张力增大。
在熔化过程中，最先受热的部分结构元的电磁力方向的紊乱，激化和干扰了邻近的结构元也必须加快价和电子的速率以适应这种变化，电子加快速率必须吸收热量，（吸收周围物质的电磁波辐射，使周围物质降温。）宏观的表现则是熔化时的吸热现象。化雪时气温降低就是由这种吸热所导致的。
凝固是熔化的逆过程，是由于温度的降低，物质由液态相变成固态的过程。简述为：温度降低，价和电子速率下降，运转线路由空间扭曲进入到稳定平面，电磁力方向稳定，结构元之间的位置相对固定，宏观的表现就是凝固。凝固时物质一般都释放热量。
布朗运动
布朗运动是液体中悬浮的微粒所作的不规则的运动，也是研究液体内部运动的一种方式。取一滴稀释了的墨汁放到显微镜下观察，可以看到小碳粒在做无规则的布朗运动。
布朗运动是怎样产生的呢？布朗运动产生于液体内部，产生于成链成团、时合时分的结构元，产生于价和电子的立体运动。
正如上文所述，熔化的发生--液体的形成，是由于在较高温度条件下价和电子的立体运动。在这样的立交运动中，价和电子是在上下扭曲地运转着，在运转的垂直方向所产生的电磁力的方向是晃动不稳的，同时，在扭曲运转的平行方向伴生着相斥力，于是结构元之间的结合是不稳的。结构元时而结合时而分手，有时几个结构元结合，上下运动、左右翻滚。外来的微粒到了这样的环境里，时而被拉一把、时而被踢一脚，所受的吸力或斥力是极不规则的，受力的方向是紊乱的，因而也就形成了这人们眼中所看到的布朗运动。
实验表明，布朗运动随着温度条件变化，温度升高，运动激烈，温度降低，运动趋缓。这种现象是与价和电子的运动是息息相关的，温度升高，价和电子运动速率加大，运转扭曲角度增加，立交范围变宽，导致电磁力晃动加剧，结构元之间的翻转运动加剧，液体内的结构元结合成的链短团小，内聚力减小，表面张力减小，布朗运动加剧。
布朗运动形式上是分子的运动，实质上是价电子的立交扭转运动所致。温度降低，整个情况与上相反，导致布朗运动趋缓。
气化
气化是物质由液态相变成气态的过程。若温度进一步升高，价和电子速率进一步增高，运转线路的扭转角度越来越大,形成了包围核心的空间立体运转，空间立体运转时，价和电子在其表面形成了一个包围两核心的饱满的壳层，壳层之间价和电子相斥，斥力推开邻近的结构元，于是一个个结构元（分子）就从液体中飘逸而出，占据较大的空间形成了气态,此时，这些个结构元就形成了一个个气体分子，如氧气、氮气等。正是由于壳层间的斥力使结构元之间尽量分离，于是就形成了气体体积比液态时的体积要大上千倍，而且总是充满空间。
如果是化合物，则是由几个不同元素的原子，以共有价电子数趋向稳定的方式进行组合，相互结合成几个紧密相连的结构元，价和电子在其间有规律地进行立体运转，结合成三仁花生状或其它状的壳层，形成气体。如 二氧化碳（O∞C∞O 氧- 碳-氧）、水蒸汽(H∞O∞H氢-氧-氢)等。（用"∞"代表价和运转）。
物质呈气态时，其价和电子的速率比液态时更高，具有更多的能量，所以物质在气化时必须吸收大量的热量。电冰箱、空调就是利用了物质在气化时大量吸热来制冷、降温。
若外界压力较大，液体中的价和电子必须具备更高的速率，才能使结构元间有较大的斥力，形成气体。所以当气压较高时，液体必须在较高的温度条件下才能沸腾，即压力高，液体的气化热较高。
在元素周期表的最右边有一族元素叫惰性物质，在常温下，这些元素总是呈气态，于是人们常把它们叫作惰性气体。为什么惰性物质总是呈气态？为什么很少见到惰性液体、惰性固体？大家了解了上述物质气态的形成，也就不难回答这一问题了。惰性元素除了氦的核外电子是两个，其它惰性元素的核外电子都是8个，原子的外层电子是均衡、稳定的，所以惰性物质的原子之间没有价和运转，不需要与其它原子结合构成结构元，（或者说单个原子自成结构元）从而，确立了元素的惰性。氦的2个均衡空间扭转高速运行的电子；或其它惰性元素的8个均衡稳定的外层电子绕着一个核心，形成饱满的壳层，斥力使得原子之间推开距离，形成气体。只有在极低的温度条件下，氦的两个电子才由空间运转转入立交运转，形成液态。其它惰性元素的8个核外电子总是均布在空间运转，饱满的壳层难以出现空缺，所以也就很难出现液化、难以呈现液态。熔点、沸点 温度是使物质发生相变的关键因素，然而只有达到了某一特定值，相变才能发生。这就是我们熟知的熔点、沸点，不同的物质，其熔点、沸点是不一样的，这也就是说不同物质其价和电子发生空间立交运转的条件是不相同的。在20℃时，有的物质呈气态，如氧气，其价和电子在空间球面高速运转；有的物质呈液态，如水，其价和电子在空间立交面运转；有的物质呈固态，其价和电子在稳定平面运转。一般来讲，在常温下呈气态的物质的分子量较小，价和电子运转受内层电子的牵连较小、速率很高。呈固态的物质的原子量较大，价和电子运转线路平稳，速率相对低些。液态物质则介于二者之间。
物质熔点、沸点较高的物质，其原子直径较小，价和电子与内层电子的层间较小、运转受内层电子的牵连较大，速率相对较高，要改变其运转线路--从平面到立交，即物体从固态熔化成液态，需要有更多的能量，也就是需要更高的温度，所以熔点较高。
物质沸点的高低情同此理，不再赘述。
气体的性质
两个（或几个）空间运转的价和电子形成一个橄榄状、三仁花生状或其它状的壳层，其产生的电磁力方向肯定紊乱瞬变，于是导致了气体的分子处在不断变向的斥力或引力之中，因此就形成了气体分子的不规则的布朗运动，并且也导致了气体的其它许多性质：
结构元之间的斥力总是使气体的分子尽量分离，向四面八方占据空间，于是，壳层间的斥力总是与外界的压力达到某种平衡，即气体内部的分子在不断地相互"碰撞"（没有实际的碰撞，只是相互接近、排斥，进行着气体的布朗运动）。这样，就导致了气体内部的压力，这压力随着气体的密度、外界的温度、压力而变化，且向四周均匀传递。
气体内的压力是气体分子之间的斥力形成的，外界压力大，气体分子之间的距离近，单位体积内的气体分子多，分子之间的斥力也较大。如果外界压力相同，（都是一个标准大气压，）那么气体分子之间的距离相同，单位体积内的气体分子就会一样多，这样就有了阿佛加德罗常数。（即在一个标准大气压下，单位体积内的气体分子的个数都是6.02×10 ）.尽管不同分子的原子个数相差几倍，但是分子的体积与所占空间相比是微不足道的，所以阿佛加德罗常数一般是准确的，适用于各种气体。
由于气体分子之间的距离较大，当外界压力增大，可以使得气体分子间距被挤小，这就形成了气体的可压缩性。当气体被压缩时，气体的分子的间距被迫减小。分子之间的斥力增大，分子外围的价和电子的运行受到邻近分子斥力的干扰，价和电子就加速运转，增加斥力，以抵御外力（外来干扰），这种加速运转就形成了气体被压缩时的发热升温。
若气体的温度升高、核外电子速率加快，使得结构元间的斥力增大，若体积不变，则压力会增大。
凝华
凝华是由气体相变成液体的过程。当温度降低时，气体物质的价和电子速率降低，气体中某一种价和电子速率降低到不能形成饱满的壳层，由空间立体运转进入到扭曲运转，在壳层出现破口，斥力减小，具有大致方向的电磁力显现出来。这种带有破口的气体分子在空气中转摆滚动，同类物质的分子也都出现了相同的状况，同类相逢就相互吸引，逐渐聚合成微小的液体。在空气中，水蒸汽就这样聚合成云，温度降低，小液滴进一步聚合成大液滴，于是由云聚成了雨。
晚上靠近地面的水蒸汽就这样在小草上聚集成露珠。小草在白天勤奋地进行着光和作用，光和作用中形成的氧带走了热量，使小草的温度较低。晚上，气温降低，在较凉的小草附近，水蒸气的价和电子速率首先降低，分子壳层出现破口，电磁力在破口处产生吸向小草，渐渐地附近更多的水蒸气降温，产生的电磁力与小草上那个先形成的电磁力相互吸引，如此越聚越多，逐渐聚成小露珠。
热天，把冰棒放进杯子里，一会儿，杯子外面结出了一些小水珠，这些小水珠是从哪里来的？是空气中的水蒸气凝结而成，其凝结的过程与小草上露珠的形成是一样的。
在分子的这种聚合中，彼此的价和电子都要降低速率，才能维持或加强这种相聚，于是聚在一起的分子都放出了热量。这就形成了凝结时的放热，这种放热在天冷时不明显，夏天，下雨前的闷热就是由这种放热所形成。
在较冷的空气中，由于价和电子速率较低，空气中的水蒸汽大部分都凝结成水或冰，所以冷空气较为干燥。
空气是氮、氧、二氧化碳等多种气体的混合物，而液氮、纯氧、干冰（固态的二氧化碳）在国民经济中各有较大的用途，如何把它们从空气中分离出来？在制气工业中就是利用了不同分子的结构元在不同温度条件下的价和电子的速率和线路的破口相聚凝结的特性，在很低温度条件下，把空气逐步冷凝，首先除去了水份，接着二氧化碳凝结成液体，进一步凝固成干冰，氧气凝结成液态氧、氮气凝结成液氮。升华 有些非金属固体物质，在温度升高时，它不是先相变成液体、再相变成气体，而是直接由固态相变成气态，这种相变形式叫升华。升华的过程是:当温度升高，价和电子速率增加，并且也开始了空间运转，然而这种物质有多个价电子，每个核心有多组价和电子围绕，一组价和电子进行空间运转，必然挤得别的价和电子无路可走，于是，核心回收了部分次外层电子，部分结构元解体，每个原子外不足四个结构元，不能建立空间架体结构。结构元失去了原来三维方位的价和力的支持，不能维持在原相对固定的位置，剩下的价和电子的速率立即升高，形成了围绕核心空间的立体运转。结构元间的斥力骤增，物质由固体直截相变成气体，即形成了固体的升华。如碳、萘等都是直截由固体升华成气体。溶解 溶解是溶质的分子均匀地扩散到溶剂之中，与溶剂中的结构元重新组合，形成溶液的过程。固态物质如盐溶解在水中，固体相变成液体；气态物质如二氧化硫溶解在水里，形成了硫酸，气态物质也相变了，所以不同相物质的溶解也存在着相变问题。
溶解的过程是溶剂中的价和电子（正在不断组建或离散结构元）冲挤和损毁着溶质的结构元，使溶质中原有的结构元部分地解体，从而能较均匀地分散到溶剂中，与溶剂中部分结构元重新组合成一种新物质--溶液。
在溶液中，构成溶质、溶剂结构元的价和电子在其间自相、互相价和或解体，因此溶解的重要条件是溶质和溶剂的价和电子速率应一致或相互调节达到一致或成整数比，否则就不能溶解。在溶解时电子速率可塑性大的原子将增加或减少库仑力以利调节电子速率，因而也导致了溶解过程中常伴生的吸热或放热现象。
在溶液中，溶质、溶剂的结构元部分解体，不同元素的原子相距很近，各原子都加强了对自身电子的控制以免被邻近原子俘获，于是库仑力增加，各原子相互牵制以维持现有的共存状态，保持现存的相态，不易达到沸腾和凝固，从而导致了溶液的沸点升高，凝固点下降，蒸气压降低。正因为溶液中各原子增加了内聚趋势，故而也导致了溶剂向溶液的渗透现象。
THE END
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