第 4 章 固体、液体、饱和汽与湿度
冬天从室外走进教室，眼镜片很快蒙上一层小水珠；同一间教室里，食盐颗粒棱角分明，窗玻璃却没有天然的规则外形；再把一根很细的玻璃管插进水里，管内水面还会自己爬高。看上去，这是三组互不相干的现象：固体的形状、液面的行为、空气的干湿。可把视线移到微观世界，它们其实都在追问同一件事——微粒怎样排列、怎样相互作用，又怎样在不同物态之间往返。
这章不需要复杂计算，却很考验判断条件。你会发现，许多错误不是公式不会，而是把“通常如此”说成“一定如此”，把一个物体的性质误当成所有材料都相同。我们就从一块看似安静的固体开始。
一、固体内部并不都一样
1. 外形只是线索，微观排列才是根本
食盐颗粒常有平整的晶面，石英也能长出规则外形；玻璃杯、橡胶块则可以被加工成任意形状。你可能会据此下结论：“长得规整的是晶体，形状随意的是非晶体。”先别急。一大块金属的外形同样由模具决定，它没有天然晶面，却仍然属于晶体。
真正的分界在内部。组成晶体的微粒在空间中按一定规则排列，形成具有周期性的结构；非晶体的微粒在较大尺度上没有这种长程有序的周期排列。天然规则几何外形可以成为判断晶体的线索，却不是不可缺少的条件。被磨成球形的石英仍是晶体，切成方块的玻璃也不会因此变成晶体。
内部结构不同，还会反映在熔化过程上。晶体有确定的熔点，在压强等条件一定时，熔化过程中固、液两相共存，温度保持在熔点附近；非晶体没有确定熔点，加热时会经历逐渐软化的温度范围。玻璃受热后先变软再能塑形，正是这种特点的直观表现。
“有确定熔点”是晶体的重要判据，“有规则外形”却不是判断晶体的必要条件。许多实际晶体经过切割、研磨或由大量小晶粒聚集后，并不呈现天然规则外形。
2. 单晶体、多晶体与方向效应
同为晶体，内部也有两种常见组织方式。若整个物体基本由一个连续晶粒构成，内部排列方向一致，它是单晶体；若由许多取向不同的小晶粒结合而成，它是多晶体。常见金属材料通常是多晶体，石英单晶、云母晶片则可表现出明显的单晶特征。
为什么要分这两类？想象在一片晶体薄片上均匀涂蜡，再用热针点在中心。如果沿各方向导热快慢不同，熔化区域可能不是圆形。这说明某种物理性质随方向改变，叫作各向异性。单晶体常在导热、导电、光学或力学等某些性质上表现各向异性，但不能反过来说它的每一种性质都一定随方向改变。
多晶体里，各小晶粒自身可能各向异性，可大量晶粒取向杂乱，宏观效果相互平均，通常表现为各向同性。非晶体也通常表现为各向同性。于是一个陷阱出现了：测得各向同性，只能说明“没有显出方向差别”，不能单凭这一点断定它是非晶体；它还可能是多晶体。
现在先判断一下：某固体熔化时温度保持不变，导热实验又得到圆形熔化区域，它是什么？确定熔点说明它是晶体；导热各向同性说明它未在导热性质上显出方向差异，因此它可能是多晶体，也可能是恰好在该性质上各向同性的单晶体，不能贸然只选一种。
在复习题里，“有规则外形”“有确定熔点”“各向异性”常被故意拆开。最稳的判断顺序是先看熔化特征与内部结构，再看方向效应，最后才把外形当辅助证据。还要知道，物质是晶体还是非晶体并非由化学成分单独决定；同一种物质在不同形成条件下可能形成不同结构，晶体和非晶体也可在一定条件下相互转化。
顺带认识一种介于普通液体和晶体某些特征之间的状态：液晶具有液体的流动性，光学性质却可能具有各向异性。显示器利用外加电场改变液晶分子的取向，从而改变光的透过情况。液晶本身通常不是“通电后发光的小灯”，也不是液体与晶体的简单混合物。理解到这里即可，不必展开材料学结构。
固体内部的排列能决定宏观性质，那么液体没有固定形状，微粒作用是不是就无迹可寻了？观察一滴水，你会看到相互作用留下的另一种清晰痕迹。
二、液面为什么总想“缩起来”
1. 没有固定形状，不等于内部稀疏
一杯水能够随杯子的形状改变，倒出后还能流动。你可能会把它想成“分子像气体一样散开，只是跑得慢一些”，可液体远比气体难压缩，这说明液体分子其实排列得很密集。
普通液体的微观结构介于晶体和气体的直观图像之间。靠得较近的一小群分子，在短距离范围内会呈现一定的局部规则，叫作短程有序；把范围放大，分子排列没有晶体那样延伸到远处的周期性，叫作长程无序。液体分子会在某个暂时的平衡位置附近运动，但这个平衡位置并不固定，会不断迁移。正是这种“靠得近，却能换位置”的状态，让液体既有一定体积、不易压缩，又没有固定形状、能够流动。由于各局部结构的取向杂乱，普通液体宏观上通常还表现为各向同性。
先判断一句话：“液体能够流动，所以分子间距离一定像气体那样大。”错在把流动性等同于稀疏。液体的流动来自分子平衡位置可以迁移，不是因为分子彼此相距很远。理解了液体内部，再看液面，你会发现最外层分子的处境确实不同。
2. 表面层是一个特殊区域
把细铁丝圈浸入肥皂液再取出，会形成肥皂膜；刺破膜的一侧，剩余膜会拉动铁丝或棉线。熔化的玻璃尖端冷却后变钝，小露珠也倾向于呈球形。把这些现象笼统说成“液体有弹性”还不够，因为液体内部与液体表面的分子处境并不一样。
在液体内部，一个分子周围各方向都有大量邻近分子，较长时间平均来看，各方向作用大致平衡。表面层外侧的气体分子稀疏，表面层分子受到的吸引不再对称；而且表面层中分子间的平均距离比液体内部略大，分子力总体表现为引力。结果是液体表面具有收缩趋势，像一张绷紧的膜。
类比用到这里就该收住：液面上并没有额外覆盖一层真实橡皮膜。我们把液体表面各部分之间相互拉引的力叫作表面张力。它的方向与液面相切，并与液面上所取分界线垂直。说“表面张力垂直液面”是常见错误，那是把微观平均合力的示意方向与宏观表面张力方向混为一谈。
在体积相同的物体中，球的表面积最小，所以当重力、容器约束等影响较弱时，液滴更接近球形。地面上的大水滴会被重力压扁，空间站微重力环境中的水团则更接近球形。表面张力没有突然变大，只是与它竞争的重力效应变弱了。
你可以先想一个小问题：水黾停在水面上，只能解释成受到浮力吗？不是。水黾的足使水面发生弯曲而不刺破表面，液面对足的表面张力作用会提供向上的分量；分析具体受力时，还要根据浸入程度考虑浮力，不能看到“水面托住”就只剩一个力。
温度升高时，分子热运动加剧，液体的表面张力通常减小；加入洗涤剂等表面活性物质也常使水的表面张力减小。这里说的是常见规律，不应把任何杂质都概括成同一种效果。高考情境若给出肥皂液、酒精或加热条件，应依据题目条件比较，不能只凭“液体越密，表面张力一定越大”之类没有普适性的口诀。
3. 浸润不是液体单方面的脾气
水滴在洁净玻璃上容易铺开，落在蜡面上却缩成鼓起的小珠。还是同一滴水，表现为什么不同？因为浸润不是只由液体决定，而取决于液体与固体这一对材料之间的作用关系。
若液体分子与固体分子间的吸引相对较强，液体倾向于沿固体表面铺展，称为浸润；若这种吸引相对较弱，液体倾向于收缩并离开固体表面，称为不浸润。水浸润洁净玻璃，却不浸润石蜡；汞对玻璃通常表现为不浸润。说“水是浸润液体”仍不完整，必须补上它接触的固体。
液面与固体接触处的形状也会暴露这种关系。浸润时，靠近管壁的液面被牵引得较高，形成凹形弯月面；不浸润时，靠近管壁的液面较低，形成凸形弯月面。用接触角可以更精确描述界面，但本章只需会从铺展、弯月面和材料组合进行定性判断，不需要套用超出教材范围的界面公式。
4. 细管里的液面为什么自己升降
把内径很细的玻璃管插入水中，管内水面高于管外；换成汞，管内汞面反而低于管外。这种与浸润、表面张力共同有关的升降现象叫作毛细现象。对同一液体和同种管壁，管越细，毛细上升或下降通常越明显。
为什么细管更明显？液面边缘沿管壁一周受到表面张力作用，而被托起或压低的液柱重量与管的横截面积有关。管径变小时，这两类效应随管径变化的快慢不同，表面效应相对更突出。这个解释建立定性图像就够了；若题目没有额外给出表面张力系数和接触角，不必自行引入毛细高度公式。
纸巾吸水、毛巾吸汗、植物茎中的细小通道都能看到毛细作用参与，但真实植物输水还涉及蒸腾拉力等机制，不能用毛细现象包办全部解释。判断实验图时则抓住三件事：液体是否浸润管壁、弯月面凹凸、细管内液面相对外部升还是降。若只记“毛细管里液面上升”，遇到汞就会立刻掉进陷阱。
液体表面的分子不仅会在水平方向表现出收缩趋势，也可能直接离开液面进入气相。接下来，眼镜片上的雾和密闭瓶里的水汽终于要连起来了。
三、蒸发会不会一直进行下去
1. 开放容器里，快分子不断离开
晾在阳台上的湿衣服没有达到沸点，水仍会慢慢减少。这种发生在液体表面、在任何温度下都能进行的汽化现象叫作蒸发。液体分子的速率有大有小，一部分动能较大的分子有机会克服周围分子的吸引，从液面进入气相。风把液面附近的水汽带走，扩大液面面积或适当升温，都能使蒸发加快。
蒸发和沸腾不能混为一谈。蒸发只发生在液面，任何温度下都可发生；沸腾在液体内部和表面同时剧烈汽化，并需要在一定外界压强下达到沸点。蒸发时离开的分子平均动能往往较大，剩余液体的平均分子动能下降，所以蒸发具有制冷作用。这就是湿手吹风更凉、湿球温度计示数可能低于干球的原因。
2. 密闭容器里出现动态平衡
把少量水装进密闭容器。最初水面上方水蒸气很少，单位时间离开液面的分子多，返回液体的分子少。随着气相中的水分子增多，撞回液面并重新进入液体的分子也越来越多，凝结速率逐渐增大。到某一时刻，单位时间内蒸发的分子数与凝结的分子数相等，宏观上液体和蒸气的量不再改变。
这个状态叫作动态平衡，“动态”二字不能丢。达到平衡后，蒸发和凝结都没有停止，只是两者速率相等。与液体处于动态平衡的蒸气叫作饱和汽；尚未达到这种动态平衡的蒸气叫作未饱和汽。
3. 饱和汽压到底由什么决定
饱和汽具有压强，这个压强叫作该液体在该温度下的饱和汽压，常记为 。同一种液体的饱和汽压随温度升高而增大。温度越高，液体中能越过分子吸引束缚的分子比例越大，要让凝结速率追上蒸发速率，气相中就要积累更多分子，因此平衡时的压强更大。
在温度一定且容器中仍有液体存在时，饱和汽压由液体种类和温度决定，与液体体积、饱和汽体积通常无关。把密闭容器体积扩大，在体积刚改变而汽化尚未来得及补充的一瞬间，原有水汽趋向不饱和；随后更多液体蒸发，直到压强恢复为该温度的饱和汽压。压缩时则有一部分蒸气凝结。
“饱和汽压与体积无关”有隐藏条件：温度不变、同种液体，而且容器中要有足够液体维持两相平衡。若液体已经全部蒸发，再扩大容器，蒸气只能按气体规律改变状态，不能继续凭空补充成饱和汽。
现在想一想：两个密闭容器温度相同，一个底部有薄薄一层水，另一个水更多；它们都已达到平衡且仍有液态水，哪个水蒸气压强大？答案是相等。水多只意味着可供后续蒸发的“储备”多，并不会在同温度的饱和状态下把水蒸气压得更高。复习题最爱用容器大小、液面面积和液体多少制造干扰，先检查“同种液体、同温度、仍有液体、达到平衡”这四个条件，结论就稳了。
液体蒸发出的水汽进入空气，下一问自然出现：空气中有多少水汽，怎样才算“潮湿”？
四、湿度：既要看“有多少”，也要看“离饱和多远”
1. 绝对湿度：用实际水汽压表示含量
按高中物理教材的口径，空气中水蒸气的实际压强叫作空气的绝对湿度，记作 ，单位是帕、千帕或百帕。它表示空气中实际水汽含量所对应的分压。读到“绝对湿度”时，应先把它落实为水汽压，而不是百分数。
水汽含量还可以用单位体积空气中所含水蒸气的质量来描述，这个量称为水汽质量密度：
常用单位是 。它与绝对湿度不是同一个物理量：前者是质量密度，后者是水蒸气的实际分压，二者单位不同，不能直接画等号。
不过，在同一温度下把水蒸气近似看作理想气体时，水汽质量密度与水汽压成正比，因此相对湿度既可以用密度之比表示，也可以用压强之比表示。这样就能把教材中的绝对湿度、另一种水汽含量表征和温湿度传感器读数接在一起。
2. 相对湿度才更接近“还容得下多少水汽”
假设两间房的绝对湿度，也就是实际水汽压相同，一间温度较高，一间温度较低。你会觉得它们一样潮吗？不一定。较高温度下水的饱和汽压更大，同样的实际水汽压离饱和状态更远；较低温度下则可能已经接近凝结。
空气的相对湿度定义为实际水汽压与同温度下水的饱和汽压之比：
同温度下也可写为
其中 是该温度下饱和水汽的密度。相对湿度越大，空气中的水汽越接近饱和，水分通常越不容易继续蒸发；相对湿度越小，衣物和皮肤表面的水分通常蒸发得越快。
例如， 时水的饱和汽压约为 ，某房间实际水汽压为 ，则
注意，显示“相对湿度 ”不是说空气质量的 是水，也不是说房间已经装入“最大水量的固定六成”而温度怎样都不变。分母 随温度改变，所以实际水汽量暂时不变时，升温会使相对湿度下降，降温会使相对湿度上升。
3. 降温、露点与凝结
一团空气缓慢降温，若暂时没有水汽进入或离开，实际水汽含量近似不变，而饱和汽压随温度降低。相对湿度便逐渐增大。当它达到 时，空气达到饱和；再降温，多余水汽会凝结为小水滴。空气在水汽含量和气压近似不变的条件下降温至饱和时的温度，叫作露点温度。
冬天眼镜片起雾，是镜片附近空气被冷却到露点以下，水汽在镜片上凝结；从冰箱取出的饮料瓶外壁“冒汗”也是同一道理。瓶内的水没有穿过瓶壁，水滴来自周围空气。高考情境中若写“降温使空气中的水汽增多，所以起雾”，因果就倒了：开始凝结前，水汽量可以近似不变，先变化的是饱和上限和相对湿度。
4. 怎样读湿度计与传感器
干湿球湿度计用两个温度计：干球直接测空气温度，湿球包着湿纱布。水分蒸发会使湿球降温，空气越干，蒸发通常越快，干、湿球温差越大；空气接近饱和时蒸发变慢，两者示数更接近。实际求相对湿度要结合规定的换算表，不能仅凭温差直接写出百分数。
数字温湿度计常利用湿敏电阻或湿敏电容。感湿材料吸收或释放水分后，电阻或电容发生变化，电路再经过标定与温度补偿给出相对湿度读数。读屏时先分清温度与相对湿度的单位，再判断题目问的是直接读数还是需要用校准关系换算。没有给出传感器特性曲线时，不要擅自假设“电压与湿度成正比”。
一个常见综合题会给出温度、该温度下的饱和汽压和传感器显示值。解题时先写同温度比值，再统一单位；若继续升温或降温，则先判断实际水汽量是否改变，再更新饱和汽压。只要把“实际有多少”和“此温度最多能维持多少”分成两栏，湿度问题就不会绕。
五、把这一章串成一张判断网
固体部分看“排列”：规则的周期排列对应晶体，是否有确定熔点是重要判据；单晶体常显各向异性，多晶体宏观通常各向同性。液体部分先看“结构”，分子排列密集、短程有序而长程无序，平衡位置可以迁移；再看“界面”，表面层分子作用使液面趋于收缩，液体与固体共同决定浸润关系，细管放大了这种界面效应。水汽部分看“平衡”：密闭容器中蒸发与凝结速率相等形成饱和汽，同种液体的饱和汽压主要由温度决定。湿度部分看“比值”：绝对湿度就是实际水汽压，相对湿度描述它离同温度饱和值还有多远；水汽质量密度只是另一种含量表征，不要与绝对湿度混称。
这些内容在复习中常以生活现象、实验图和传感器读数出现。作答时别只报结论，要把条件补全：晶体的哪一种性质、哪对液体与固体、是否仍有液体、温度是否相同、水汽量是否改变。条件说清，给分点自然就不会丢。
下一章会把视线从“物态与界面”转到“能量怎样进出系统”。蒸发为什么制冷、气体被压缩为什么升温，都需要一条统一的能量账本——热力学第一定律。
课后练习
1
关于晶体与非晶体，下列说法正确的是
2
某固体有确定熔点，导热实验中各方向导热效果相同。由这些信息可以判断
3
关于液体表面张力，下列说法正确的是
4
把细玻璃管分别插入水和汞中，在常见实验条件下，下列判断正确的是
5
密闭容器中的液体和饱和汽达到动态平衡后，蒸发与凝结都停止。
6
两个密闭容器中都有足量液态水，温度相同且均已达到汽液平衡。容器甲体积大于容器乙，则
7
20 ℃时水的饱和汽压为2.34 kPa，某室内实际水汽压为1.17 kPa，则相对湿度为 ____。
8
密闭房间内水汽量暂时不变，仅降低空气温度且尚未发生凝结时，通常会出现
9
某数字温湿度计显示“温度25 ℃，相对湿度60%”。下列理解正确的是
10
冬天从室外进入温暖房间，眼镜片出现小水滴。最合理的解释是
11
关于普通液体的微观结构和宏观性质，下列说法正确的是