书城科普读物探索未知-热学知识漫谈
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第14章 世界中不同的物态形式

世界是有形的,可以触摸、可以看见的。放眼从窗户往外望去,近处,未名湖畔初染新绿的杨柳柔若无骨,凭水扶风,却也是柔而坚韧,再狂暴的风也休想切断柳条与生命之根的脉息相通。绿柳之巅,赫然耸起博雅古塔,素灰色的砖与瓦的堆砌,却也在历史与自然的风雨中巍然挺立,百年千年仍惟我自尊。一只只飞鸟在绿树巅凭风峭立,突然间一声声清脆的鸣叫,振翅飞起,在巍峨的塔影里盘旋,在夕阳的余晖下自由自在地飞翔。

好一幅世中美景,不过,这个奇妙的世界是由什么塑成的呢?柔韧的,或者坚固的世界,凭风雨肆虐而能身形坚挺,这是什么东西的功劳?对这个问题,也许大多数人都能不假思索地回答出正确的答案:固体。不错,是固体,是形态各异的固体塑成了我们这个有形的世界,是坚强的固体支撑起了这个世界,坚强地,不屈服于压力,不为风雨而折腰,这一切,正是由于组成这个有形世界的物质具有了固体的通性。

固体是坚硬的,或者是柔韧的,虽然用力可以使固体发生形变,如弯曲、折断、下凹或拉长与缩短等等,但是,固体无论在多么大的压力之下,都不会被明显地压缩(除非本就是疏松而不致密的物块)。这一切,根源都来自于固体的微观结构。固体也是由分子、原子、离子等无数微观粒子构成的,按照分子运动论的观点,固体中的微观粒子也在毫不知疲倦地永不停息地作无规则的热运动,不过,由于固体中微观粒子之间的距离极小,粒子与粒子之间几乎是紧密堆积而少有空隙,就像堆在一起的乒乓球那样,周围没有多少自由运动的空间,因而只能绕着一个固定的平衡位置作轻微的、不规则的振动。正是由于堆积密的微观特点,固体物质一般都具有不可压缩、不流动的一定的形状与体积,具有一定的硬度、韧性、抗拉抗压抗折等多种较强的机械性能。所以,我们踏在地球表面上,可以丝毫不为陷下去而发愁;平时怕掉在河中喝个饱的人,冬天的冰雪季节里也可以放心大胆地在河里的冰面上踏着极薄的冰刀自由自在地滑行了。

那么,固体就完全不会膨胀或者收缩了么?答案仿佛是肯定的。摆在我们房间里的家具与物品,一年四季似乎并没有什么明显的不同。不过,从科学上讲我们的桌椅甚至是我们的钢笔不仅仅是在冬季与夏季里有着长度、体积等方面的不同,就是一天的早晚之间,它的大小也在时刻随温度的变化而变化,物体的体积、长度等形状因素随温度的升降而增大或缩小的现象,是一个客观存在的广泛的现象,我们称之为热胀冷缩。热胀冷缩在于气体是有的,而且表现最为明显;在于液体也是有的,表现就不那么明显,但也容易在定量的实验中观察出来(如温度计水银柱的变化指示刻度);在于固体,它仍然是有的,只是极不明显,我们也极易受我们自己的眼睛的欺骗而已,温度升高了,固体物质内部微观粒子的振动将加剧,微粒间隙会相对略有增大,宏观上也就会有一个不太明显的膨胀;反之,温度降低,也就会有固体的冷缩过程。由于固体的膨胀会对阻止它膨胀的周围造成极大的压力,而这个大压力极具有破坏性,因此,铁轨的接头、混凝土板的接缝总会留下空隙,这便是为了防止夏天的烈日曝晒所引起的“轻微”的热膨胀会破坏铁路、桥梁或者其他建筑物。

在固体中,形形色色的物质构成的固体又按其微观结构及宏观表现分为晶体及非晶体。晶体是受热升温到一个特定的温度时能转化为液体的固体,对热传导等表现为各向异性,微观粒子的排列堆积结构则具有微观周期性,比如食盐晶体、冰晶体等;非晶体则不会有特定的转化为液体的温度,对热传导等表现为各向同性,微观粒子的排列不具有周期性或者只具有局部的周期性,全局排列并无规律。晶体在受热时转化为液体的特定温度称为固体的熔点,是晶体物质的一个特征数值。在熔点温度以上,晶体物质就再也不能以固态形式存在,而成为流动的液体了。