任何物質都至少有三相（固體、液體、氣體），有些甚至更多態
（這有點超乎想像，因為原先我以為只會有少數特殊物質具有三相）

只是因為人類生存的環境太狹隘，看不到這麼多種狀態
所以需要經由實驗，操作各種極端「溫度」與「壓力」來畫出三相圖

哇！水目前已知有超過20幾種相態！
其中大部分都是冰
（圖表毫無規則可言… 或許可能存在某種規律吧，但多到讓人不會想去找規律…）

各種不同冰晶型態

水的三相圖

我們先來看水的三相圖（固體、液體、氣體）
水的溫度壓力的三相圖

固相、液相、氣相
昇華線、熔化線、蒸發線
昇華線：線上每個點都是昇華點（點上同時有固、氣兩態）
熔化線：線上每個點都是熔點（點上同時有固、液兩態）
蒸發線：線上每個點都是沸點（點上同時有液、氣兩態）

水在”特定的壓力”下，有熔點就會有沸點
但是有昇華點的話，就不會有熔點跟沸點了
（因為固態直接變氣態、跳過步驟，也就不會有熔化、蒸發）

三相圖有幾個地方要注意：

１
畫三相圖的時候，口訣：LYL
左下一個Ｌ、中間Ｙ、右上Ｌ

２
蒸發線右上角的臨界點（Critical Point）是一個點，而不是無限延伸的線
一旦再往右上方走，高溫高壓就變成超臨界流體（Supercritical Fluid），而不再有液體、氣體之區分，也就不再以線條區隔

那為什麼液體、氣體不分界線了？
原因是此時溫度太高，分子活潑亂跳震，液體因為很燙很熱、很想膨脹成氣體
但外界壓力又很大，把氣體壓緊緊的，使它難以變成氣體、密度更接近液體
所以液態氣態此時不再有清晰界線，最終同時具有液體的溶解能力、氣體的擴散性

３
對大多數物質來說「熔化線」的斜率為正的（壓力越大對應到溫度越高）
但是對於水來說，斜率卻是負的

（所以此圖畫得不好，因為對水而言斜率應為負，如「紅線處」修正）

水之所以與眾不同，是水的氫鍵結構所導致的固態密度比液態小，導致斜率為負
當壓力變大的時候，0℃附近的水會傾向變成液態（記得是看紅線處喔！）

這一點很特別、可以變魔術，例如：線條加壓穿過冰塊
壓力融解（Pressure melting） 施加壓力融化冰，當壓力移除後會再凝固成冰（Regelation）

同時，這也與溜冰有關

固體（冰）的摩擦力很大，照理來說會深陷卡住、動彈不得
但當人體體重壓在溜冰鞋的冰刀上，讓冰塊局部壓力變大、暫時變成液態，可以輕易滑動、變得咕溜

三相點（Triple Point）

許多物質不只存在三相（固體、液體、氣體）
他們可以有四相、五相甚至更多相，特別是在高壓、高溫或極端條件下
但是純物質不可能會有四相點（四相共點）
最多只能「三相共點」=> 還沒學到原因

那當物質處在三相點會發生什麼事情？會出現三種相態同時存在的情況

這兩個影片是，將水的溫度與壓力控制在三相點上

可以看到水反覆的結凍、爆碎開來與融化
可能比較早期的實驗，無法控制得太精確

這組實驗將溫壓力控制的比較好，實驗環境較穩定、波動小
水結冰、昇華，又流回到低處重新結冰
比較好的看到氣體、液體、固體共存
彷彿有人控制局部區域，反覆的升溫、降溫，像生物一般活了起來

而上一個影片則是範圍更廣一點、出現更極端的畫面
不是一個生物，而是整個生態圈的變化
就像自己的時間被定格住，而眼前的時間加速流逝
如同地球在重演冰河覆蓋，融化成河海，火山噴湧等週期景象，輪迴縮影、頗為壯觀

其他物質的三相圖

二氧化碳（CO₂, Carbon dioxide）三相態

在一大氣壓下，二氧化碳的昇華點（-78.5°C）
乾冰（Dry ice）是固態，一但放到空氣中，會直接由固態轉為氣態，跳過液態
而鋼瓶裡因為是常溫高壓，所以是液態的二氧化碳
用到乾冰時則減壓噴放，瞬間會有白色霧

這些白煙是小水滴而非二氧化碳（二氧化碳是看不到的！）
不過要注意，過量的乾冰在密閉空間裡是致命的，就像把空氣抽掉換成二氧化碳而缺氧窒息

碳元素（C 石墨、鑽石）相圖

石墨（graphite）、鑽石（高溫高壓）、液態、氣態

碳的固態可細分非常多種，還包括以下亞穩態：

石墨烯（Graphene）
富勒烯（Fullerene, C₆₀）長得像足球的東西
碳納米管（奈米碳管Carbon Nanotube, CNT）

但是因為結構特殊，不會被畫在標準相圖上

三相態

固體（Solid）：固定形狀、固定體積
液體（Liquid）：固定體積、不固定形狀（會依容器變形）
氣體（Gas）：不固定體積、不固定形狀（會充滿整個容器）

液體密度比氣體大非常多
對多數物質而言，氣態體積會比液態大上約1000倍
而水蒸氣的體積是液態水膨脹大約1700倍（100 °C、1 atm）

氣體到處分散，此時分子間作用力（分子間互相吸引的能力）非常小、微乎其微
液態、固態則是分子間都靠很近，作用力非常大

三態性質表整理

性質	固體	液體	氣體
動能	最小	中	最大
位能	最小	中	最大
分子間距離	近	近	超遠
分子間作用力	最強	中	最弱
排列情況	整齊	混亂	混亂
體積	固定	固定	不固定
形狀	固定	不固定	不固定
可壓縮性	難以壓縮	難以壓縮	容易壓縮
作用力與動能	作用力 >> 動能	作用力 ≈ 動能	作用力 << 動能
移動性	不能自由移動	具流動性、可滑動	自由移動