化學原理啟迪420
Dany Atrache Couture Fall/Winter 2012/13 FULL SHOW
1.
水的相圖有許多值得注意的特徵。其中一個重點是，水的固態/液態分界線的斜度是負的（左上延伸到右下）。這意味著，水的熔點，隨著外在壓力的增加，而逐漸下降。
2.
水的熔點隨著外在壓力增加而逐漸下降的行為模式，與大部分的物質不同，這是因為在熔點，冰的密度比水低。水的最大密度位於4℃，因此，當液態水結冰，它的體積會增加。
3.
另一個值得注意的點是，水的固態/液態分界線，沒有最高的限制。有一些理由可以解釋壓力對水的熔點的影響；在熔點，液態水和固態冰是並存的，冰與水處於動態平衡狀態。
4.
如果我們對這個系統加壓，會發生什麼事呢？加壓，會使物質的體積下降，加壓對氣體的體積變化影響最劇烈，但是對其他濃縮的相（液態、氣態）也會有影響。
5.
在0℃，相同重量的冰與水加以比較發現，冰的體積比水的體積大，因此系統回應加壓的方式是，將冰轉換成水。
6.
所以，在0℃以及外在壓力大於1atm的條件下，水是液態的。換句話說，當壓力大於1atm。水的凝結點低於0℃。下圖說明壓力對冰的作用
7.
相圖中有一個標示X的位置點，在X這個位置，水的型態是固態冰，X之上的垂直虛線指的是，在固定溫度下，壓力逐漸增加。
8.
特別留意，在固定溫度下，隨著壓力上升，X虛線與固態/液態交界線交會，這代表壓力上升會使得冰溶解。這應該就是溜冰的情況。
9.
因為溜冰者的體重，都由溜冰鞋上薄薄的冰刀支撐，只要壓力夠大，就能造成冰融化成液態水，使冰刀更容易滑過，這是一般公認的情況。然而，最近的研究指出，溜冰者施加於冰面的壓力，不足以融化冰。
10.
事實上，關於冰的結構，最新的研究指出，即使環境的溫度遠低於熔點，冰表面的水分子，仍會超乎想像地迅速振動，冰面快速振動的水分子，是界於固態與液態之間的中間結構「準液體quasi liquid」，準液體使冰面滑潤，適合溜冰。
11.
冰的低密度性質還有其他意義。當水管內的水或引擎缸體的水結冰，凍結後水的體積膨脹，會破壞容器。因此，氣候寒冷地區的水管，必須加上隔熱/隔冷材料，水冷式引擎必須使用防凍液。
12.
冰的密度比水滴，所以，水結冰後會浮在湖泊或河流的表面，變成一層保溫隔熱層，讓冰層下的水體在冬天不會結凍，水生生物因此可以在零下溫度生活。
13.
液體沸騰所處的溫度，會使液體的蒸汽壓等於外在壓力。因此物質的沸點，如同熔點，依據外在壓力而改變。這是為什麼高度不同，水煮沸的溫度不同，並且這些差異影響沸水煮食物的效果。
14.
舉例來說，在科羅拉多州的Leadville（海拔10,150英尺／3093.7公尺）煮熟蛋所需的時間，比在聖地牙哥海平面煮熟蛋所需的時間，更長；因為在Leadville水只要達到89℃，即能沸騰，在Leadville水的沸騰溫度比在聖地牙哥海平面低。
15.
如同我們先前所說的，水的相圖描述的是一個密閉的系統。因此，我們用相圖來解釋自然界的現象時，必須非常謹慎。
16.
舉例來說，在乾燥（濕度低）的氣候，雪和冰似乎能直接昇華，只會產生少量的雪水。當濕衣服晾掛在溫度低於0℃的戶外，濕衣服會先結冰，然後逐漸變乾。可是相圖顯示，在正常大氣壓下冰無法昇華，那麼上述的例子為什麼會發生的呢？
17.
這些冰在開放的自然環境裡，非在密閉的系統中。施加壓力的是大氣，而非密閉系統硬梆梆的活塞。在大氣環境下，冰產生的蒸汽很快地蒸發掉了，這些蒸汽不需要再回頭與固體冰達成平衡，因此冰能夠緩慢地蒸發消失。
18.
水的相圖顯示，1大氣壓下水是不會昇華的，但是在地球自然環境條件下，1大氣壓下，冰確實可以昇華，然而這個昇華現象，並非在系統達到平衡的要求下進行。
19.
徐弘毅注：冰蒸發的水蒸氣，逸散到大氣中，就像反應的產物不斷地被移除，依據勒沙特列原理，反應會產生一股力量，去抵銷產物不斷被移除的力量，這股力量就是不斷地製造產物，因此，冰將不斷地昇華製造新的水蒸氣，以彌補不斷流失的水蒸氣。
二氧化碳的相圖 The Phase Diagram for
Carbon Dioxide
20.
二氧化碳的相圖與水的相圖不同。在二氧化碳的相圖中，固態/液態分界線是正的斜度，因為固態二氧化碳的密度高於液態二氧化碳。二氧化碳的三相點位於5.1atm與－56.6℃，臨界點在72.8atm和31℃。
21.
當壓力是1atm，固體二氧化碳會於－78℃昇華，這個性質使固體二氧化碳獲得一個俗名「乾冰dry
ice」。在正常大氣條件下，不會出現二氧化碳液體，所以乾冰是十分好用的冷卻劑。
22.
滅火器經常使用二氧化碳為原料。在高壓與25℃下，二氧化碳是液態的，液態二氧化碳從滅火器噴出到1atm環境中，立刻變成蒸汽；二氧化碳氣體比空氣重，所以二氧化碳氣體能夠覆蓋火，隔絕火與氧的接觸。
23.
液態二氧化碳轉換成二氧化碳氣體的過程是高度吸熱的，所以有冷卻作用，有助於撲滅火勢。二氧化碳滅火器製造的煙霧，混合固體二氧化碳和空氣中凍結的濕氣。
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翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Forums.sailinganarchy.com、Scienceblogs.com、 commons.wikimedia
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