相變（相位 Transition）是指在外界條件（溫度或者壓強）發生變化的過程中，物相中原來均勻的化學組成或結構在某一特定條件下發生的突變，比如，在一個大氣壓下，冰在0°C時熔解為水，水在100°C時沸騰變為水蒸氣。一般相變前后相的化學組成不變，因而相變是一個物理過程不涉及化學反應。物質的相變形式一般分為四種：固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。相變的條件包括溫度、壓力和濃度，如果相變要自發進行，系統必須過冷（過熱）或過飽和，此時系統溫度、濃度和壓力與相平衡時溫度、濃度和壓力之差值即為相變過程的推動力。
其實人們很早就發現相變現象了，只是那時還沒有“相變”這個概念。古希臘時期，一個叫Thales的先賢看到海水蒸發成霧氣，形成云后又化作雨而入海，進而提出了“世界是由水構成的”；19世紀，采礦、冶金業開始了對相變現象的研究，1869年，愛爾蘭化學和物理學家Thomas Andrews研究了的壓力、溫度和體積之間的關系。在此過程中，他提出臨界溫度和臨界壓力的概念，以表明氣態和液態間的轉變是連續的；1911年，人們發現的超導現象及在1930年發現的液氦超流效應更是引起了物理學家們對相變的興趣。隨著對相變現象及其規律認識的逐步加深，人們開始提出了相變的有關理論，如經典的成核-生長理論、界面微觀形貌控制的生長理論、固液相變界面失穩理論以及近代凝聚態物理學中的各種有關理論等等。
相變是廣泛存在的，在材料科學、熱力工程、冶金工程、化學工業和氣象學等領域都涉及各種相變過程，。例如在建筑節能方面，將相變材料摻入建筑結構中，不僅可以降低建筑能耗，改善室內環境質量，同時還可以有效地儲存、利用太陽能等低成本清潔型能源，實現環境與經濟的雙贏；在醫藥工業方面，許多醫療電子治療儀要求在恒溫條件下使用，這就需要利用溫控儲熱材料來進行調節，使儀器在允許的溫度范圍內工作；在紡織行業方面，將相變材料添加到紡織服裝中，不僅可以增強其保暖性能，還可以使其具有智能化的內部溫度調節功能，對于改善人們的生活質量具有重要意義。由于復合相變材料具備無機化合物和有機相變材料的優點，在未來，復合相變材料將成為重點研究的方向。
定義
相變是指在外界條件發生變化的過程中，物相中原來均勻的化學組成或結構在某一特定條件下發生的突變，例如，在一個大氣壓下，冰在0°C時熔解為水，水在100°C時沸騰變為水蒸氣。一般相變前后相的化學組成不變，因而相變是一個物理過程不涉及化學反應。
物相
物相是物質系統中具有相同化學組成、聚集狀態和相同物理與化學性質的物質部分的總成。在一定的條件（如溫度、壓力、電場、磁場等）下，處于熱力學平衡狀態的物質將以一種由該條件所決定的聚集狀態或結構形式存在，這種形式就是相。從廣義上來說，所謂相，指的是物質系統中具有相同物理性質的均勻物質部分，它和其他部分之間用一定的分界面隔離開來。例如，在由水和冰組成的系統中，冰是一個相，水是另一個相。
升華
在一定壓力下，物質由固體不經液態而直接轉變為氣態的相變過程稱為升華。一般來說，能夠通過升華操作進行純化的物質是那些在熔點溫度以下具有較高蒸氣壓的固體物質。這類物質具有三相點，即固、液、氣三相并存之點。 一種物質的熔點，通常指的是該物質的固、液兩相在大氣壓下達到平衡時的溫度。而某物質的三相點指的是該物質在固、液、氣三相達到平衡時的溫度和壓力。在三相點以下，物質只有固、氣兩相。這時，只要將溫度降低到三相點以下，蒸氣就可不經液態直接轉變為固態。反之，若將溫度升高，則固態又會直接轉變為氣態。由此可見，升華操作應該在三相點溫度以下進行。
液化
物質從氣相轉化為液相的過程叫液化，也稱凝結。氣體凝結時要放出熱量，單位質量的氣體凝結時放出的熱量為凝結熱，數值上等于同溫度的氣化熱，比如水在0°C時氣化熱為，100°C時為。
汽化
由液相變為氣相的過程叫汽化，相反的過程，即由氣相變為液相的過程稱為液化或凝結。液體汽化有蒸發和沸騰兩種形式：蒸發是在液體表面發生的汽化過程，任何溫度下都在進行；沸騰是整個液體內部發生的汽化過程，只在沸點(沸騰時的溫度)下才能進行。
相變溫度和相變焓
相變溫度和相變是相變材料特有的性能指標，是區分各種相變材料的最基本指標。
相變溫度，顧名思義就是指相變材料在發生物相變化時的溫度，以水為例，當水從固態冰開始融化轉變為液態水時的溫度為0°C，因此也可以說冰與水的相變溫度為0°C。
相變焓又稱相變潛熱，即物質在發生相變時所釋放出的熱量，具體定義是指一定量的物質在恒定溫度及壓力（通常是相平衡溫度及相平衡壓力）下發生相變時與環境交換的熱。正是由于相變潛熱的存在，物質在發生相變過程中才可以保持自身溫度恒定，使得相變材料成為儲熱材料中極具潛力的一種。
簡史
其實人們很早就發現相變現象了，只是那時還沒有“相變”這個概念。與我們生活非常密切的水在相變方面表現得非常直觀。古希臘時期，一個叫Thales的先賢看到海水蒸發成霧氣，形成云后又化作雨而入海，進而提出“世界是由水構成的”，水可變成冰、雪、汽，它的這些變化給地球帶來了生機。水蒸氣是一種溫室氣體，其溫室效應是的2～3倍。但由于水蒸氣在大氣環境下會發生相變而成為雨，故空氣中水蒸氣不會累積，其量變化不大。因此，我們往往不考慮水蒸氣在溫室效應方面的影響。
19世紀，采礦、冶金業開始了對相變現象的研究，1864年，英國科學家Henry Sorby利用改裝的反光顯微鏡觀察鋼的拋光面。結果他發現，鋼是由許多獨立小晶粒組成的，而且鋼在加熱和冷卻時，其組織也會發生變化。1869年，愛爾蘭化學和物理學家Thomas Andrews研究了的壓力、溫度和體積之間的關系。在此過程中，他提出臨界溫度和臨界壓力的概念，以表明氣態和液態間的轉變是連續的。后來Gibbs在他的研究中引用了Andrews的一些結果。
1911年，人們發現的超導現象及在1930年代發現的液氦超流效應更是引起了物理學家們對相變的興趣。隨著對相變現象及其規律認識的逐步加深，人們開始提出了相變的有關理論，如經典的成核-生長理論、界面微觀形貌控制的生長理論、固液相變界面失穩理論以及近代凝聚態物理學中的各種有關理論等等。縱觀相變現象研究的發展可以看出，相變現象以其在自然界的普遍存在性和多樣性長期吸引著包括地質學、材料科學、物理學、化學等眾多學科學者的研究興趣。相變現象研究與發展不僅使人們加深了對大量與相變有關的現象在理論上的認識和理解，更重要的是，它促進了構筑現代物質文明基礎的現代科學技術、尤其是材料科學技學技術的發展。
分類
按熱力學分類
熱力學中處理相變問題是討論各個相的能量狀態在不同的外界條件下所發生的變化。從熱力學觀點看，兩相能夠共存的條件是化學位相等。此時的溫度和壓力分別稱為臨界溫度和臨界壓力。根據臨界溫度、臨界壓力時化學位各階偏導數的連續性，相變分為一級相變、二級相變等。一般情況下，可以用表示自由能，表示焓，表示，表示開爾文，表示相的體積，表示廣義外加力。下面是一級相變、二級相變的相關定義和特征：
一級相變
在發生相變時，有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為一級相變。體系由一相變為另一相時，兩相的化學勢相等但化學勢的一級偏導數（一級導數）不相等，即
由于 ，也即一級相變時，。因此在一級相變時熵（）和體積（）有不連續變化，即在發生一級相變時有相變潛熱，并伴隨有體積的改變。例如，晶體的熔化、升華，液體的凝固、氣化，氣體的凝聚以及晶體中大多數晶型轉變都屬于一級相變。
二級相變
在發生相變時，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹系數和等溫壓縮系數等的物理量發生變化，這一類變化稱為二級相變，即二級相變時：
，
，
（1）
（2）
（3）
其中，稱為材料的壓縮系數；，稱為材料的膨脹系數。由式（1）可見，發生二級相變時，兩相的化學勢、熵和體積相等，但熱容、熱膨脹系數、壓縮系數卻不相等，即無相變潛熱，沒有體積的不連續變化，而只有熱容量、熱膨脹系數和壓縮系數的不連續變化。例如，正常液態氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉變，正常導體與超導體之間的轉變，順磁體與鐵磁體之間的轉變，合金的有序態與無序態之間的轉變等均屬于二級相變。
按質點遷移特征分類
根據相變過程中質點的遷移情況，可以將相變分為擴散型相變和無擴散型相變兩大類。
擴散相變
擴散型相變的特點是相變依靠原子（或離子）的擴散來進行的，這類相變較多，如晶型轉變、熔體中析品、氣-固相變、液-固相變和有序-無序轉變。
非擴散相變
無擴散型相變主要是在低溫下進行的純金屬（鋯、鈦、鈷等）同素異構轉變以及一些合金（Fe-C，Fe-Ni，銅Al等）中的馬氏體轉變。
按相變機理分類
按相變機理不同可將相變分為成核一生長相變、連續型相變（Spinodal分解）、有序-無序轉變和馬氏體相變。
成核-生長相變
成核-生長相變是由組成波動程度大、空間范圍小的起伏開始發生的相變，初期起伏形成新相核心，然后是新相核心長大，有均勻成核與非均勻成核兩類。
連續型相變
連續型相變是由組成波動程度小、空間波動范圍廣的起伏引起的相變，即起伏連續地生長而形成新相，包括Spinodal分解、連續有序化相變及顆粒粗化相變等。
有序－無序轉變
有序-無序轉變包括位置、位向以及電子和核旋轉狀態的有序-無序轉變。位置的有序無序是原子占據不同的亞晶格造成的，如銅Zn合金，有序的低溫結構相應于兩種相互貫穿的簡單立方結構，當溫度升高時，Cu和Zn開始易位，當兩種原子占據晶格結點的概率相等時，結構變為立方晶系，形成高溫無序結構。位向（空間方向）無序發生于多原子基團占據晶格位置的情況下，結晶時基團取向可能多于一個方向，這時就可發生有序無序轉變。當存在不成對電子或自旋電子時，原子或離子猶如小磁極子，當其呈平行有序排列時，晶體具有磁性。溫度升高，有序排列降低，完全無序時，晶體變成順磁體。
馬氏體相變
馬氏體相變是結構畸變型相變，動力學上轉變速率很快，有結晶學上的突出特征，在合金系統及氧化物系統均有發生。
其他分類
Christian將相變分為兩種類型，一種是非均勻相變，另一種是均勻相變。非均勻相變對應于成核一生長相變，通常把體系空間分為未經相變的部分和已經相變的兩個部分。兩者由界面分隔，由母相中成核，而后長大來進行。均勻相變是指整個體系均勻地發生相變，其新相成分和（或）有序參量逐步地接近穩定相的特征，這類相變由整個體系通過過飽相和過冷相內原始小的起伏“連續”地（相界面不明顯）擴展而進行的，即連續型相變，不需要成核過程，由起伏直接長大為新的相。
相變的條件
如果相變要自發進行，系統必須過冷（過熱）或過飽和，此時系統溫度、濃度和壓力與相平衡時溫度、濃度和壓力之差值即為相變過程的推動力。一般情況下，我們可以用表示自由能，表示焓，表示熵，表示開爾文，表示相的體積，表示廣義外加力。
溫度
由熱力學可知，在等溫、等壓下有：
在平衡條件下，，則有
（1）
式中—相變的平衡溫度；—相變熱。
若在任意一溫度的不平衡條件下，則有：
若與不隨溫度而變化，將式（1）代入上式得：
（2）
從式（2）可見，相變過程要自發進行，必須有，則。若相變過程放熱（如凝聚、結晶等），必須有，即，這表明系統必須“過冷”，即系統實際溫度比理論相變溫度要低，才能使相變過程自發進行。若相變過程吸熱（如蒸發、熔融等），要滿足這一條件則必須，即，這表明系統要自發相變則必須“過熱”。
由此可得：相變驅動力可以表示為過冷度（過熱度）的函數，因此相平衡理論溫度與系統實際溫度之差即為相變過程的推動力。
壓力和濃度
從熱力學知道，在恒溫可逆非體積功為零時：
對理想氣體而言：
當過飽和蒸汽壓力為的氣相凝聚成液相或固相（其平衡蒸汽壓力為）時，有：
（3）
要使相變能自發進行，必須，即，也即要使凝聚相變自發進行，系統的飽和蒸汽壓應大于平衡蒸汽壓。這種過飽和蒸汽壓差為凝聚相變過程的推動力。
對溶液而言，可以用濃度代替壓力，式（3）寫成：
若是電解質溶液還要考慮電離度，即1mol電解質能離解出mol離子，則
（4）
式中—飽和溶液濃度；C—過飽和溶液濃度。
要使相變過程自發進行，應使，由于式（4）右邊都為正值，則必須，即，液相要有過飽和濃度，它們之間的差值（）即為這一相變過程的推動力。
主要性質
相變是有序和無序兩種傾向相互競爭的結果。相互作用是有序的起因，熱運動是無序的來源。在緩慢降溫的過程中，每當溫度降低到一定程度，以致熱運動不再能破壞某種特定相互作用造成的有序時，就可能出現新相。以銅二元合金為例：合金從液態開始緩慢冷卻，當溫度降到液相線（1點）時，結晶開始。此時結晶出來的極少量固相成分，液相的成分基本未變。隨著溫度降低固相逐漸增多，液相不斷減少。液相的成分沿液相線變化，固相的成分沿固相線變化。
相變的方式
物質的相變形式分為四種：固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。
固固相變
固態相變（固固相變）是指發生在固體之間的相轉變，包括晶格體系和電子體系的轉變。晶格體系可能會發生原子的重新排列，這種轉變稱為結構相變；電子體系也可能發生能帶填充情況的改變，即發生電子相變。例如，-石英與-石英間的轉變、碳鑰的奧氏體與珠光體間的轉變。固固相變的特點一般包括：
1.相變阻力大。相變時系統的總自由能變化包括三個部分。固態相變中，母相和新相皆為固態，而且兩者的比容（即密度的倒數）不同，這導致一定的體積應變。體積應變對相變有阻礙作用，因為若新相體積大，則母相對其有壓應力；反之有拉應力。這種體積應變可通過新相與母相間的彈性應變來調節。
2.原子的遷移率低。由于固相中的原子排列比較緊密，且鍵合牢固，故原子在固相中的擴散系數遠小于在液芥和氣相中的擴散系數。因此，在受擴散過程控制的相變中，相變較難發生。當溫度下降時，相變來不及發生而容易產生較大的過冷度，結果形核速率大、相變后的組織較細。若進一步增大過冷度，則會由于原子擴散難度增大而使相變速率減小。
3.非均勻形核。固相中有空位、位錯、晶界、雜質等多種缺陷。這些缺陷往往是非均勻形核的核心。許多電鏡結果表明位錯是固態相變的一個有利位置。母相越細，則缺陷的密度越高，相變速率也越大。
4.存在過渡相。由于固態相變的發生有一定難度，故在一定的過冷度下，常常有亞穩的過渡相產生。當條件改變時，過渡相會轉變為穩定相。
5.母相與新相存在相界面。母相與新相間的相界面有三種基本的類型：共格、半共格和非共格界面。
固液相變
由固相轉變為液相的過程稱為熔解，由液相轉變為固相的過程稱為結晶或凝固。晶體物質在一定壓強和一定溫度下，就開始熔解，在熔解過程中，要吸收熱量，這部分熱量是熔解熱。熔解過程吸收熱量的多少，只能影響熔解的快慢，而不能影響熔解溫度的高低，即熔解過程中溫度不變，直至全部晶體都變成液體為止。晶體熔解時對應的溫度稱為熔點，固相物質的熔點是由多種因素決定的。實驗表明：含雜質的晶體的熔點常比純凈的晶體低；合金的熔點常低于它的任一組分的熔點。晶體若與其他的物質接觸，也會改變熔點。例如，在冰上噴灑工業鹽（NaNO），會顯著地降低熔點，加速冰的熔解過程。
固氣相變
物質從固相直接轉化為氣相的過程稱為升華，從氣相直接轉化為固相的過程稱為凝華。升華時分子一方面要克服與周圍分子間的結合力做功，另一方面克服外界壓強做功，所以需要吸收很大的熱量，稱為升華熱。如果將固體放在密閉容器中，最后固體和它的蒸氣會達到平衡狀態，這時在固體周圍形成飽和蒸氣，它的壓強也叫飽和蒸氣壓，飽和蒸氣壓隨溫度而變化。
一切固態物質在一切溫度下，都有一定的飽和蒸氣壓。飽和蒸氣壓一般很小，只有用精密儀器才可以測量，因而常被人們忽略。但也有少數物質固相的飽和蒸氣壓很大，以致溫度上升到熔點之前，它的飽和蒸氣壓已與大氣壓相當，因此并未熔解而發生升華。例如，樟腦、干冰（固態）、硫、磷等物質在常溫下都直接揮發成氣體，這就是升華現象。水蒸氣遇冷在樹葉、草上凝結成微小冰粒，如在中國東北地區形成的美麗的霧淞，就是水蒸氣的凝華現象。
液氣相變
在一定壓強下，物質由液相轉變為氣相的過程稱為汽化，相反的過程稱為凝結。液氣相變過程的相變潛熱稱為汽化熱，它通常是指單位質量的液體變成同溫度蒸氣寸所吸收的熱量，汽化熱的大小，與液體的種類及汽化時的溫度有關，當溫度升高時，汽化熱減小。液體的汽化有蒸發和沸騰兩種方式，例如，盛在敞口容器中的水會逐漸減少，以至最后完全消失；濕衣服可以晾干；江河、湖泊、海洋中的水每時每刻都在汽化，這種發生于液體表面的汽化過程稱為蒸發。
相變材料
相變材料是一種能在不同溫度下發生狀態轉變，并且在過程中吸收或釋放大量的潛熱的物質，該類材料在相變過程中溫度恒定并且儲能能力強，可以作為能量的儲存器，在建筑、電池熱管理、太陽能等領域都得到了廣泛應用。根據其相變方式可以分為固-液相變材料、固-固相變材料、固-氣相變材料和液-氣相變材料四種類型。美國Dow化學公司對可用于建筑墻體中的相變材料做了大量的研究，按照材料類型分為兩類，一類是無機化合物相變儲能材料，一類是有機相變儲能材料。無機相變儲能材料主要包括結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類，由于相變溫度的限制，在墻體材料中用得最多的是結晶水合鹽；有機相變儲能材料主要包括石蠟、多元醇類、脂肪酸類等。
應用
相變是廣泛存在的，在材料科學、熱力工程、冶金工程、化學工業和氣象學等領域都涉及各種相變過程，其中，大大促進了材料科學技術的迅速發展。
建筑節能
墻體相變儲能材料本質上是相變材料在一定溫度條件下的狀態發生改變，并且伴隨著吸熱或放熱現象，從而實現對室內溫度的調控。隨著人們對建筑物的熱舒適性的需求日益高漲，能量的消耗也在不斷增長。將相變材料應用到建筑結構中，不僅可以緩解建筑物能量供求在時間和強度上不匹配的問題，降低建筑能耗，改善室內環境質量，同時還可以有效地儲存、利用太陽能等低成本清潔型能源，實現環境與經濟的雙贏，為實現經濟社會的發展提供強有力的保證。
工業加熱
在工業加熱設備的余熱利用系統中，傳統的儲熱器多以耐火材料為儲熱材料，由于熱量的吸收僅僅是依靠耐火材料的顯熱容變化，這種儲熱室存在體積大、成本高、熱慣性大、輸出功率衰減大等問題，限制了其在工業加熱領域中的廣泛應用。相變儲熱系統是一種可以替代傳統儲熱器的新型余熱利用系統，其核心是通過對固-液相變過程中的潛熱的吸收與釋放來儲存與輸出熱量，潛熱比顯熱容能量大，且其釋放可以在恒定溫度下進行。與傳統的儲熱室相比，相變儲熱系統的體積可以減少30%—50%。因此，利用相變儲熱系統取代傳統的儲熱器，既能解決原有蓄熱器存在的不足，使加熱系統在采用節能設備后仍然穩定地運行，還又能促進余熱利用技術在工業加熱過程的廣泛應用。
醫藥工業
許多醫療電子治療儀都是在恒溫條件下工作，這就需要利用溫控儲熱材料對其進行調節，以保證儀器在允許的溫度范圍內工作。日本有專利報道，用的混合物作為相變材料用于儀器室的恒溫控制，可將室溫保持在25°C左右，也可以將特種儀器埋包在用相變材料制成的熱包中，從而保證儀器使用的溫度。中國市場有這樣的一種熱袋，它的相變材料是水合鹽，相變溫度約55°C，它是一種以一塊金屬片為成核種子物質，用手按壓金屬薄片，使其表面生成晶體生長中心，從而發生結晶放熱，再配備某些具有活血作用的中藥袋，就可以達到理療的效果，對于治療類風濕等疾病具有一定的治療效果。
現代農業
溫室是現代農業的重要組成部分，它在克服惡劣的自然氣候、拓展農產品品種、提高農業生產效率等方面具有重要的價值。溫室的關鍵在于控制適宜農作物生長的溫、濕度環境，而相變材料在這一領域有著廣闊的應用前景。將相變材料應用于農業中溫室的研究開始于20世紀80年代，最先采用的相變材料為，隨后又先后嘗試了、石蠟等。研究結果表明，相變材料不僅能為溫室儲藏能量，還具有自動調節溫室內濕度的功能，可以有效降低溫室的運行費用和能耗。
冷鍵運輸
隨著社會的發展，人們對食品冷鏈運輸的需求越來越大，相變材料在包裝、冷藏柜、冷藏車、冷藏保溫箱、冷藏集裝箱等食品冷鏈運輸中得到了廣泛的應用。根據能源供應的方式，食品冷鏈運輸可分為有源型和無源型低溫配送制冷，有源型低溫配送系統自帶制冷裝置，比如機械式冷藏車；無源型低溫配送系統則是采用相變儲冷材料的相變過程來實現對低溫環境的控制。相變儲冷材料的無源型低溫配送系統因其成本低且使用方便等特點，在食品冷鏈運輸中得到了廣泛的應用。使用相變材料對冷藏車的傳統保溫方法進行改進，有利于節約能源、減少傳統制冷裝置的污染、減少制冷設備尺寸和延長設備的使用壽命。
紡織行業
將相變材料添加到紡織服裝中，不僅可以增強其保暖性能，還可以使其具有智能化的內部溫度調節功能，對于改善人們的生活質量具有重要意義。根據使用要求可以生產具有不同的相變溫度的產品，例如用于嚴寒氣候的41級纖維的相變溫度在65~85°F（18.3~29.4°C），用于運動服裝的43級纖維的相變溫度在90~110°F（32.2~43.3°C）。相變儲能纖維的智能調溫機理為：人體處于劇烈活動階段時會產生較多的熱量，利用相變材料將這些熱量儲藏起來，在需要的時候再將這些熱量逐漸釋放出來，從而達到服裝恒溫的目的。
電子行業
隨著電子器件的高速化、小型化和高功率化，集成電路的集成度、計算速度以及功耗等都在快速提高，這也使得集成塊內部的散熱問題變得越來越突出。若集成塊所散發出的熱量無法迅速擴散，則會引起集成塊的溫度急劇上升，進而影響集成塊的正常工作，甚至可能導致集成塊燒毀。若將相變材料應用于集成塊上，就可以有效緩解其過熱問題，因為相變材料在其發生相變過程中，在很小的溫升范圍內，吸收大量的熱量，從而降低其溫度上升幅度。在通信、電力等設備箱（間）降溫方面，相變材料可以節省75%以上的設備成本。在通訊方面，已被廣泛應用于通信基站的機房、電池組間，將傳統的只能使用一年的設備，延長了4年或更多的壽命。
參考資料 >
相變.中國大百科全書.2024-03-18
相變.中國大百科全書.2024-03-17
[科普中國]-相變.科普中國網.2024-03-23