admin 这个科普要普及的物理问题。
观察周围的时候，我们可能会想，为什么物质存在固相、液相、气相(或固体、液体、气体)三种物相？在同样的温度下，为什么空气是气相，玻璃是固相，水是液相？为什么三种物相可以相互改变？如何改变？
我们知道物质是由分子(很小的粒子)构成的。
那么分子如何组成各种物相呢？或者说分子是如何粘在一起，形成为世间万物呢？从根本的角度(即从微观的角度)，回答以上的问题，其实只需要两个知识点就可以。一个是分子间相互作用力，另外一个是热运动。
图1 一杯水，为什么玻璃是固相，水是液相，空气是气相？
一些名词解释
物相：物质的一种聚合方式。一般有固相、液相、气相(也可以称为固体、液体、气体，或者固态、液态、气态)。
一般而言，在三个物相中，固体中分子间距最小，相互作用力最大，它具有一定的体积和形状；气体中分子间距最大，相互作用力最小，它不具备一定的体积和形状，只能装在容器中才不至消散；液体中分子间距中等，相互作用力中等，它具有一定的体积，但不具备一定的形状。
图2 固体、液体、气体微观结构示意图 (小球表示分子)
相变：物体由一个相转变为另外一个相。如冰变化为水。水变化为水气。
热运动：物体中的分子不是静止的，它们都在做无规则的运动，永不停息。这种运动叫做热运动。
热运动越剧烈的物体，温度越高；热运动越和缓的物体，温度越低。温度越高，分子的平均速率越大；温度越低；分子的平均速率越小。之所以说分子的平均速率，是因为物体中有些分子的速率会大一些，有些却小一些。每个分子的速率大致处在平均速率附近的一个小范围内。(物体中每个分子的速度的大小(速率)和方向都会不停地变化，所以叫无规则运动。)
图3 气体分子热运动示意图 (圆点表示分子，尾巴表示分子速度，尾巴越长速率越大)
固体、液体和气体的热运动表现有所差别。对于固体，分子间相互作用力最大，分子不能到处乱跑，只能在平衡位置附近做无规则振动；对于气体，分子间相互作用力最小，分子可以在容器内到处乱跑；对于液体，分子间相互作用力中等，分子在某个平衡位置振动一段时间后，可以迁移到别的位置继续振动。如此振动、迁移不断往复。
分子间的相互作用力：分子间存在相互作用力，它是一个短程力 (分子间距离稍微变大，这个力就消失了)，随分子间距离而变化。
当两个分子的距离 () 等于平衡距离(，数量级为米)时，分子间相互作用力 () 等于0；当距离小于平衡距离时，分子间相互作用力表现为排斥力，且随距离减小而急剧增大；当距离小于平衡距离时，分子间相互作用力表现为吸引力，且随距离增大而迅速降为0 (可以认为当距离大于时，分子间相互作用力等于0。一般约为的5-10倍。因此，分子间相互作用力是一种短程力)。
图4 分子间相互作用力与分子间距离的关系，示意图
图4表示分子间相互作用力与分子间距离的关系。当相互作用力表现排斥力时，它取正值；值越大，排斥力越大。当相互作用力表现为吸引力时，它取负值；值越小，吸引力越大。
分子势阱
分子间相互作用力的效果，就是把其它分子尽量束缚在周围，但是不能太靠近，有时其它分子可以逃脱这种束缚。这就好比，分子周围有一个坑，其它分子掉入这个坑里，要出来的话需要费一些力气。这个坑称为分子势阱。人掉入图5的坑里，身体好的才可能爬出来，身体不好的就出不来了。(人身体好坏相当于分子速率大小。身体越好对应于分子速率越大。)
图5 坑类比势阱
分子势阱，或者坑的样子，如图6所示。它只是一个示意图，真实的样子应该是两个球面之间的部分。掉进势阱的分子，可以从远离分子的方向逃出势阱。
图6 分子势阱示意图
分子间的相互作用力越大，分子势阱就越深(坑越深)；分子势阱越深(坑越深)，掉进去的分子就越难逃出。
影响物相的两个因素
分子间相互作用力和热运动是影响物相的两个因素，或者说分子势阱和温度是影响物相的两个因素。分子势阱(坑)和分子间相互作用力对应；温度和热运动对应。
分子势阱(以后称它为坑)越深，掉入坑的分子越不容易出来。因此坑(分子间相互作用力)使得分子彼此聚合，彼此不分开。
物体温度越高，分子速率越大，当掉进其它分子的坑中，越容易逃脱。因此热运动(温度)使得分子彼此分离。热运动越剧烈(温度越高)，分子越彼此分离。
分子间相互作用力和热运动是一对矛盾，前者使得分子彼此聚合，后者使得分子彼此分离。它们在不同的点达到平衡，就形成各种不同的物相。
图7 分子间相互作用力和热运动是影响物相的两种因素，示意图
各种物相形成的解释
固相的形成：
对于某种分子组成的物体而言，当温度很低时，分子速率(严格来说，应该叫平均速率)很小，掉进其它分子坑中的分子，就没有能力逃逸出来。因此分子纷纷掉进其它分子的坑里，出不来，分子不断地聚合形成固相。因为坑很深，分子只能在坑底附近振动，而不能到处乱跑，这正是固相的特点。
图8显示了固相的形成。不同颜色的圆斑表示不同的分子，不同颜色的两个圆环之间的部分表示对应分子的坑。每个分子都落到其它分子的坑中出不来，形成一定的形状和体积。这正是固相的特点。
图8 固相形成示意图
气相的形成：
当温度很高时，分子速率很大，掉进坑中的分子，轻易就可以逃逸出来。因此分子不可能束缚在其它分子的坑里，物体以气相存在。或者说，所有分子的坑都完全失效了，没有坑。结果是，分子可以在整个容器内到处乱跑，这正是气相的特点。
图9显示了气相形成示意图。因为分子的坑都完全失效，所以外圆环画成虚线。
图9 气相形成示意图
液相的形成：
当温度不高也不低时，分子平均速率不大也不小，掉进坑中的分子，有的可以逃逸出来(速率大的分子)，有的不能逃逸出来(速率小的分子)。因此有的分子能束缚在其它分子的坑里，有的分子没有束缚在其它分子的坑里，物体以液相存在。或者说，有些分子的坑会失效。结果是，分子在某个地方掉入坑里，因为坑会失效，它会逃逸出来了，然后又掉进其它的坑里。此时，热运动的特点是，分子在某处振动一会儿，然后跑到另一处继续振动。这正是液相的特点。
图10显示了液相形成的示意图。图中红色分子的坑失效了，红色外环用细线表示。对于黑色分子而言，它可以在灰色区域移动。
图10 液相形成示意图
相变的解释
当温度很低，物体处于固相时。我们来看看，不断给物体加热，会有什么情况发生。
给物体加热，温度会逐渐升高，分子速率逐渐增大，分子逃逸出坑的能力逐渐增强。当温度升高到某个值 (熔点) 时，少量分子的坑会失效，物体由固相逐渐变成液相 (固液相变)。当物体完全由固相变成液相，再继续给物体加热。物体温度会继续升高，分子逃逸出坑的能力继续逐渐增强。当温度升高到某个值 (沸点) 时，大量分子的坑会失效，物体由液相逐渐变成气相 (液气相变)。当物体完全变成气相时，所有分子的坑都失效了。
图11 温度高时，冰逐渐熔化成水
同理，逐渐给物体降温，它会由气相依次变为液相、固相。
相同温度下，不同物质的相为什么不同
例如在室温 (20摄氏度) 时，为什么玻璃处于固相，水处于液相，氧气处于气相？
这是因为不同分子坑的深度不同。对于玻璃，水和氧气，玻璃分子的坑最深，氧气分子的坑最浅，水分子的坑深度中等。在温度相同的情况下，可以认为所有分子的平均速率相同，它们逃逸出坑能力一样。铁分子的坑最深，所有铁分子都不能从坑里逃逸出来，铁以固相存在。氧气分子的坑最浅，所有分子都能逃逸出坑，氧气以气相存在。水分子坑的深度中等，只有一部分分子可以逃逸出坑，水处于液相。
图12 室温时，玻璃、水、氧气分子的坑，示意图
图12显示了室温时，不同分子的坑图。其中红色线段对应分子的平均速率，三条红色线段长度一样。绿色线段对应每个分子的速率分布，三条绿色线段的长度一样。对于玻璃分子，所有分子都束缚在坑里，它处于固相；对于水分子，大部分分子处于坑里，小部分处于坑外，它处于液相；对于氧气分子，每个分子都处于坑外，它处于气相。
就写到这里吧。不可能把所有问题一次性解决完。如：
分子之间的相互作用来源于何处？
为什么有相变潜热？
感谢大家围观。欢迎大家讨论，指正。