地球/3a. 氣體、液體、固體（以及物質的其他狀態）
古代對地球物質的分類是對我們所居住的物質世界構成要素的早期嘗試。 亞里士多德，亞歷山大大帝的老師，在公元前343年的古希臘提出了五種“元素”：土、水、氣、火和以太。這五種元素可能借鑑了更古老的文化，例如古埃及的教義。中國五行系統，發展於公元前200年左右的漢代，列出了“元素”木、火、土、金、水。這些觀點認為，構成所有物質的成分是這些元素的某種組合，但早期文字中關於這些元素是什麼的理論似乎是武斷的。大約在公元850年，伊斯蘭哲學家肯迪，他在他的家鄉巴格達讀到了亞里士多德的著作，進行了早期的蒸餾實驗，即加熱液體並在單獨的容器中收集冷卻產生的蒸汽的過程。他發現蒸餾過程可以製造更濃烈的香水和更烈的葡萄酒。他的實驗表明，實際上只有三種物質狀態：固態、液態和氣態。
古代早期對物質的分類與當今現代的原子物質理論存在很大差異，後者構成了化學領域的基礎。現代原子理論將物質分類為94種天然存在的元素，如果你包括科學家合成的元素，則還有另外24種元素。原子物質理論認為，所有物質都是由這118種元素的組合或混合物組成。然而，由於溫度和壓力的不同，所有這些物質都可以採用三種基本物質狀態。因此，根據其溫度和壓力，理論上所有這些元素的組合都可以存在於固態、液態和氣態中。儘管大多數物質狀態是由不同的元素組成的，但它們都可以歸類為固態、液態或氣態。
一個很好的例子是冰、水和蒸汽。冰是氫原子與氧原子結合形成的固體形式，用H2O表示，因為它包含的氫（H）原子是氧（O）原子的兩倍。H2O是冰的化學式。冰可以被加熱形成液態水。在地球表面的壓力（1個大氣壓）下，冰將在0°攝氏度（32°華氏度）熔化成水。同樣，水也會在相同的溫度0°攝氏度（32°華氏度）結冰。如果你繼續加熱水，它將在100°攝氏度（212°華氏度）沸騰。沸騰的水會產生蒸汽或水蒸氣，這是一種氣體形式。如果水蒸氣冷卻到低於100°攝氏度（212°華氏度），它將重新變成水。
最引人入勝的簡單實驗之一是觀察一壺水在加熱到100°攝氏度（212°華氏度）時的溫度。水的溫度會升高，直到達到100°攝氏度（212°華氏度），在此溫度下，它將保持不變，直到所有水都蒸發成蒸汽（一種氣體）後，蒸汽的溫度才會進一步升高。一壺沸水恰好是100°攝氏度（212°華氏度），只要它是純水並且處於1個大氣壓（海平面）下。
壓力的變化會影響相變發生的溫度。例如，在海拔10,000英尺的山頂上，水將在89.6°攝氏度（193.2°華氏度）沸騰，因為它的大氣壓力較低。這就是為什麼你經常會看到根據海拔高度調整烹飪說明的原因，因為在較高海拔的地方，烹飪食物需要更長的時間。如果你在一個容器中抽走氣體，將一杯水放在真空中，你可以讓一杯水在室溫下沸騰。當真空中的壓力降到大約1千帕以下時，就會發生這種相變。三種基本物質狀態取決於物質的壓力和溫度。科學家可以透過繪製任何物質在任何溫度和壓力下的觀察到的物質狀態來繪製不同物質狀態的圖表。這些圖表稱為相圖。
可以透過觀察物質在固態、液態和氣態之間發生相變的溫度和壓力來讀取相圖。如果壓力保持恆定，你可以透過沿著圖表上的水平線讀取圖表，觀察物質熔化或凍結（固體↔液體）和沸騰或蒸發（液體↔氣體）的溫度。你還可以透過沿著圖表上的垂直線讀取圖表，觀察物質熔化或凍結（固體↔液體）和沸騰或蒸發（液體↔氣體）的壓力。
在水的相圖上，你會注意到固體冰和液態水之間的分界線不是圍繞0°攝氏度的完全垂直的線，在約200到632兆帕的高壓下，冰會在略低於0°攝氏度的溫度下熔化。這個區域會導致冰蓋下深埋的冰熔化，從而增加冰上的壓力。另一種奇怪的現象可能發生在加熱到100°攝氏度的水身上。如果你讓加熱到100°攝氏度的普通水承受越來越大的壓力，直到超過2.1吉帕，熱水將在100°攝氏度下變成固體冰並“凍結”。因此，在非常高的壓力下，你可以在100°攝氏度的奇特高溫下形成冰！如果你能夠觸控到這塊冰，你會被燙傷。另一種奇怪的現象發生在如果你讓冰在真空中承受越來越小的壓力，冰將在低於0°攝氏度的真空中昇華，從固體變成氣體。固體變成氣體的過程稱為昇華，氣體變成固體的過程稱為凝華。最奇特的現象之一發生在三種物質狀態的三相點，在那裡固態、液態和氣態可以共存。對於純水（H2O），這發生在0.01°攝氏度和611.657帕的壓力下。當水、冰或水蒸氣處於這種溫度和壓力下時，你會看到水同時沸騰和結冰的奇怪現象！
相圖表明物質的狀態是物質內分子之間空間的函式。隨著溫度升高，振動力的作用使物質的分子相互遠離，同樣，隨著壓力的增加，物質的分子被推得更靠近。溫度和壓力之間的這種平衡決定了在每個離散的溫度和壓力下將存在哪種物質狀態。
更高階的相圖可能表明固態中分子不同的排列方式，因為它們承受著不同的溫度和壓力。這些更高階的相圖說明了固體物質中晶格結構的變化，這些物質堆積得更密集，可以形成不同的晶體排列。
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每種物質都有不同的相圖，例如純二氧化碳（CO2）物質，它由一個碳原子（C）與兩個氧原子（O）鍵合而成，在地球表面的正常溫度和壓力下大多是氣體。然而，當二氧化碳冷卻到-78°攝氏度時，會發生凝華，並從氣體變成固體。乾冰，也就是固態二氧化碳，在室溫下會升華變成氣體。它被稱為乾冰，因為在正常壓力下固態和氣態之間的相變不會像水那樣經歷液態階段。這就是為什麼放在冷卻器中的乾冰不會弄溼你的食物，但會讓你的食物保持低溫，而且實際上比用H2O製成的普通冷凍冰要冷得多。
當氣體被加熱並承受越來越高的壓力時，會發生奇怪的事情。在某個點上，這些在不斷壓縮下的熱氣體將被歸類為**超臨界流體**。超臨界流體既像氣體又像液體，暗示著物質的第四種狀態。當水被加熱到高於374°攝氏度並承受22.1兆帕或更高的壓力時，就會出現H2O的超臨界流體，此時水的超臨界流體看起來像一種渾濁的蒸汽狀流體。CO2的超臨界流體出現在高於31.1°攝氏度的溫度下，並承受7.39兆帕或更高的壓力。由於超臨界流體既像液體又像氣體，因此它們可以用作乾洗中的溶劑，而不會使織物變溼。超臨界流體用於咖啡豆的脫咖啡因過程中，因為當與咖啡豆混合時，咖啡因會被二氧化碳的超臨界流體吸收。
當您考慮將兩種或更多物質混合在一起並檢查它們如何相互作用時，相圖會變得更加複雜。這些包含兩種不同物質的更復雜的相圖稱為二元體系，因為它們不僅比較溫度和壓力，還比較兩種（有時更多）組分的比例。Al-Kindi在開發他的蒸餾過程時，利用了水的沸點（H2O）在100°攝氏度和酒精（C2H6O）在78.37°攝氏度的差異。從加熱到78.37°攝氏度的水和酒精混合物中產生的捕獲氣體，將只包含酒精。如果將這種分離的氣體冷卻，它將成為更濃縮的酒精形式，這就是蒸餾的工作原理。
利用相圖的知識，可以闡明94種天然存在的元素的不同組成的分佈。科學家可以確定，由於溫度和壓力的變化，物質如何在這些天然存在的物質中富集或枯竭。
等離子體用於描述自由流動的電子，如電火花、閃電和圍繞太陽的區域。等離子體從技術上講不是物質狀態，因為它不包含足夠質量的粒子。雖然有時被包含在物質狀態中，但等離子體，就像包含光子的電磁輻射一樣，最好被認為是一種能量形式而不是物質。儘管電子在將不同型別的原子結合在一起方面發揮著至關重要的作用。在下一個模組中，您將瞭解相圖極端限制下的其他物質相。
不同物質相具有不同的密度。密度，正如您可能回憶的那樣，是物質質量與體積之比的量度。換句話說，它是給定空間（體積）內原子的數量（質量）。比重是物質密度與水的密度之比。這是一個簡單的測試，可以檢視物體是漂浮還是下沉，此類觀察結果被測量為比重。比重正好為1，表示物體的密度與水相同。比重高於1的物質，無論是固體、液體還是氣體，都會下沉，而比重低於1的物質則會漂浮。液體的比重使用比重計測量。否則，密度透過找到質量並將其除以測量的體積來測量（如果物體是不規則固體，通常透過水的置換來測量）。
大多數物質在固態時的密度往往高於液態，大多數液體的密度大於氣態。這是因為固體在更小的空間內比液體堆積了更多的原子，並且固態物質比氣態物質堆積了更多的原子。此規則存在例外，例如冰，水的固體形式會漂浮。這是因為冰塊的質量與體積之比小於液態水，因為冰（H2O）的晶格在原子之間形成了密度較小的鍵網路，並在更大的空間中擴充套件以適應這種晶格結構。這就是為什麼將蘇打水罐放在冰箱裡會導致它膨脹並爆裂的原因。然而，大多數物質在固態時的密度將高於液態。
密度以kg/m3或比重（與液態水相比）為單位測量。液態水的密度在4°攝氏度時為1,000 kg/m3，蒸汽（水蒸氣）的密度為0.6 kg/m3。牛奶的密度為1,026 kg/cm3，略高於純水，海平面空氣的密度約為1.2 kg/m3。在地球表面上方100公里處（接近外太空邊緣），空氣的密度下降到0.00000055 kg/m3 (5.5 × 10−7 kg / m3)。
請記住，重力（g）的加速度取決於物體的質量，因此物體密度越大，施加在其上的重力就越大。這之前在計算地球的密度時曾討論過，以反駁地球內部存在空心中心的假設。
區分物體的質量和物體的重量非常重要。重量是重力（g）和物體質量（M）的合力，因此重量=M×g。這就是為什麼太空中的物體失重，以及物體在其他行星上的重量不同的原因，因為g的值取決於每顆行星的密度。但是，質量，相當於物體中原子的總數，無論您訪問哪個行星，都保持不變。
重量由使用彈簧向下推的秤測量，彈簧將質量和重力結合起來，將物體推向地球並記錄彈簧的位移。質量由將物體與標準物進行比較的秤測量，例如在天平秤中，已知質量的標準物在天平上保持平衡。
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