沸点与熔点之间的关系

2025年7月2日 | 阅读6分钟

物质的熔点（或液化点）是其从固态转变为液态的特定温度。在该精确温度下，固态和液态共存并处于平衡状态。物质的熔点受压力影响，通常在标准压力条件下测量，例如 1 个大气压 (atm) 或 100 千帕 (kPa)。

Relation Between Boiling Point and Melting Point

物质的特征凝固点通常是通过观察熔化过程而不是凝固过程来确定的。这种方法基于以下原理：监测固体最后一点消失的温度（熔点），而不是第一个晶体形成的温度（凝固点）。这种方法更可靠，因为熔点受过冷影响较小，并且能提供更精确和可重复的测量。因此，当科学家提到物质的凝固点时，他们通常是指通过固体消失观察到的温度，这实际上就是熔点。

熔点测量

测定物质的熔点是各个科学领域的一项关键技术。存在多种方法可以精确测量熔点，每种方法都有其优点和应用。各种测量熔点的方法可以满足不同的需求，从简单的手动观察到复杂的自动和连续测量。方法的选择取决于所需的精度、样品的性质以及特定的应用背景。以下是一些常用的技术：

Kofler 暖台
描述：一个带有温度梯度的金属条，温度范围从室温到 300 °C。
方法：将物质放置在条的不同位置，以观察其在各种温度下的热行为。物质熔化的地方即表示其熔点。
应用：适用于快速同时测定多种物质的熔点。
差示扫描量热法 (DSC)
描述：一种测量与相变相关的热流的分析技术。
方法：以可控的速率加热样品，并记录流入样品的 the heat flow。一个吸热峰，表示熔化焓，指示了熔点。
应用：提供精确的熔点数据以及熔化焓，适用于详细的热分析。
自动数字熔点仪
组成：包括一个带有透明窗的油浴（或金属块）和一个放大镜（例如，Thiele 管）。
方法：将少量固体样品放入细玻璃毛细管中，并部分浸入油浴中。加热并搅拌油浴，通过放大镜观察晶体的熔化。
应用：适用于手动测定熔点，在实验室中常用于简单直接的测量。
高级自动仪器
组成：现代设备可能用金属块代替油浴，并具有自动光学检测功能。
方法：仪器自动检测熔点，无需手动观察。
应用：提供更准确和可重复的结果，手动干预更少，适用于高通量实验室。
连续在线测量
描述：在工业过程中，尤其是在炼油厂，会连续测量柴油等物质的熔点（凝固点）。
方法：直接从生产线取样并自动测量，无需人工取样。
应用：允许实时监控和控制，通过提供频繁和快速的测量来提高效率并确保产品质量。

熔化与熔化热

当固体熔化时，它从固相转变为液相。这个过程需要能量，将物质从固态改变为液态而不改变其温度所需的能量称为熔化热。这是一种潜热，是物质在恒定温度和压力下发生相变时吸收或释放的热量。

熔化的热力学

吉布斯自由能 (ΔG)

吉布斯自由能 (G) 是一种热力学势，它衡量系统在恒定温度和压力下可能产生的最大可逆功。吉布斯自由能的变化 (ΔG) 决定了相变的进行方向。

如果 ΔG < 0，则过程是自发的。

如果 ΔG > 0，则过程是非自发的。

如果 ΔG = 0，则系统处于平衡状态。

在熔点，固态和液态处于平衡状态，因此 ΔG = 0。

焓 (ΔH) 和熵 (ΔS)

焓 (H) 是衡量热力学系统的总能量，包括内能和为给系统腾出空间而所需的能量。熵 (S) 是衡量系统中无序度或随机性的指标。

熔化过程中

焓 (ΔH) 增加，因为吸收能量（热量）来打破固体结构中的键以形成液体结构。

熵 (ΔS) 增加，因为液体中的分子比固体中的分子更无序。

ΔH、ΔS 和温度 (T) 之间的关系

在熔点，吉布斯自由能变化 (ΔG) 为零。该方程给出了在此点的焓、熵和温度之间的关系：ΔG = ΔH - TΔS

方程解释

T：熔点时的温度。

ΔS：熔化过程中熵的变化。

ΔH：熔化过程中焓的变化。

自从 (Since)

熔点时 ΔG = 0

0 = ΔH - TΔS

重新排列此方程得到

ΔH = TΔS

或者：ΔS = ΔH / T

这个方程表明，熔化过程中熵的变化 (ΔS) 等于熔化发生的温度 (T) 除以焓的变化 (ΔH)。本质上，它量化了在熔化温度下每单位热能（焓）引入的无序度（熵）。

沸点

液体的沸点是其转变为蒸气的温度。当液体蒸气压等于周围压力时就会发生这种情况。沸点随压力变化：在较低的压力下，例如在山上，其沸点比海平面低。

化学元素的沸点差异很大。氦是所有元素中沸点最低的。另一方面，铼和钨的沸点异常高，在标准压力下超过 5000 K。精确测量如此极端的温度具有挑战性，导致在确定哪种元素沸点最高方面存在一些不确定性。根据来源，科学文献中都报道了它们具有最高的沸点。

正常沸点是指液体蒸气压等于海平面标准大气压的温度。在此温度下，蒸气气泡可以在液体内部形成。科学家将标准沸点定义为在 1 巴压力下发生沸腾的温度。