物质的状态与温度的关系

物质的温度改变时，它的状态就会发生改变。比如我们从小就知道的三态变化，就是因物质的温度改变引起的。我们熟悉的液态水，其实在温度上只占很小的一片范围。当温度在零度以下时，它将以固态冰的形式存在；当温度到达100度以上时，它将以水蒸气的形式存在。物质状态还与其所受的外部压力有关系，有时候压强的作用会改变物态对应的温度范围。

图1. 水的三态变化与温度之间的关系

物态随温度变化的内在机制是物质颗粒无规则的热运动，温度越高物质颗粒的运动就越剧烈。在接近绝对零度时，任何物质的分子都仅具有极小的能量，作用于它们的内聚力将它们聚合成一块固体，它们只能在冷冻状态下微微颤动。当温度上升时，这种颤动变得越来越强烈。在某个阶段，我们的分子将会获得一定的运动自由，可以相互滑动。冷冻物质的坚固性消失了，变成了液体。发生熔化过程的温度取决于作用在分子上的内聚力的强度。在更高的温度下，内聚力无法继续将分子维持在一起，分子会朝着各个方向飞去，除非周围的内壁阻止它们飞行。此时，物质当然处于气态。

固态时，物质颗粒通常以分子的形式存在。如果温度继续上升，分子本身的存在就会受到威胁，因为分子间不断增长的碰撞强度可以将它们分解成单个原子。这种现象叫作热离解，它取决于相关分子的相对强度。一些有机物的分子在几百度时就可以被分解成不同原子或原子群，水分子等更加坚固的分子在超过一千度的温度下才会被破坏。不过，当温度上升到几千度时，任何分子都不能幸免，物质将成为纯化学元素的气态混合物。这就是太阳表面的情况，那里的温度高达6000°C。在红巨星相对较冷的大气中，一些分子仍然存在，这一事实已经得到了光谱分析方法的证明。

随着温度进一步的升高，原子之间的热碰撞强度进一步增加，可以去除原子的外层电子，使原子本身受到破坏。当温度上升到几万度和几十万度时，这种热电离变得越来越明显。在零上几百万度，热电离会全部完成，所谓的原子将不复存在。所有电子层完全被剥离，物质变成了裸核和自由电子的混合物，它们在空间里横冲直撞，以极大的力量相互碰撞。虽然原子整体受到了彻底破坏，但是物质仍然保持着基本的化学性质，因为原子核仍然保持完好。多数恒星的内部就是以这种状态存在，我们通常称之为高温高密的等离子体状态。

当温度上升到几亿度以上的温度时，原子核也会被破坏，甚至会被分解成单个的核子(中子和质子)，这种情况会发生在超新星爆炸之前，或者是宇宙年龄仅有几十秒的时候。

随着温度进一步升高，核子会被分解成夸克、胶子和一些基本粒子，年龄不到1秒的宇宙中有可能就是这种状态。

随着物质温度的增加，物质周围的光子数目和能量也会增加。这些光子也会和物质相互作用，从而使物质的状态发生改变。正确理解物质状态随温度的变化规律，将有助于我们理解恒星和宇宙的演化过程。

图2. 物质状态与温度之间的联系