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。公元前343年，古希臘亞歷山大大帝的老師亞里士多德提出了五種“元素”：土、水、氣、火和以太。這五種元素很可能借鑑了更古老的文化，例如古埃及的教義。中國五行系統是在公元前200年左右的漢朝時期發展起來的，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，但在早期的文字中，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，在自己的家鄉巴格達讀過亞里士多德著作的伊斯蘭哲學家肯迪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使香水更加濃郁，葡萄酒更加醇厚。他的實驗表明，實際上只有三種物質狀態：固態、液態和氣態。
古代對物質的早期分類與當今現代的原子理論有很大差異，原子理論構成了化學領域的基礎。現代原子理論將物質分為94種天然存在的元素，如果包括科學家合成的元素，則還有另外24種元素。原子理論認為，所有物質都是由這118種元素的組合或混合物構成的。然而，由於溫度和壓強的差異，所有這些物質都可以呈現三種基本物質狀態。因此，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，這取決於它們的溫度和壓強。儘管物質由不同的元素組成，但大多數物質狀態可以歸類為固態、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鍵合的固體形式，用H2O表示，因為它包含的氫原子（H）數量是氧原子（O）數量的兩倍。H2O是冰的化學式。冰可以加熱形成液態水。在地球表面的壓強（1個大氣壓）下，冰將在0°攝氏度（32°華氏度）融化成水。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。沸水產生蒸汽或水蒸氣，這是一種氣體形式。如果水蒸氣冷卻到100°攝氏度（212°華氏度）以下，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）時的溫度變化。水的溫度會持續升高，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（氣體）後，蒸汽的溫度才會繼續升高。一壺沸水正好是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。
壓強的變化會影響相變發生的溫度。例如，在海拔10000英尺的山頂上，水會在89.6°攝氏度（193.2°華氏度）沸騰，因為它受到的大氣壓較低。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。如果你在真空環境中將一杯水放在一個容器裡，透過抽走容器中的氣體，你可以使一杯水在室溫下沸騰。當真空中的壓強下降到大約1千帕以下時，就會發生這種相變。物質的三種基本狀態取決於物質的壓強和溫度。科學家可以透過繪製任何物質在任何溫度和壓強下的觀察到的物質狀態來繪製不同的物質狀態圖。這些圖被稱為相圖。
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強來讀取相圖。如果壓強保持不變，則可以透過在圖上沿著水平線觀察物質熔化或凝固（固↔液）以及沸騰或蒸發（液↔氣）的溫度來讀取該圖。你也可以透過在圖上沿著垂直線觀察物質熔化或凝固（固↔液）以及沸騰或蒸發（液↔氣）的壓強來讀取該圖。
在水的相圖上，你會注意到固態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°攝氏度的溫度下融化。這個區域會導致埋在冰蓋深處的冰融化，從而增加冰的壓強。另一種奇怪的現象可能發生在加熱到100°攝氏度的水中。如果你對加熱到100°攝氏度的普通水施加越來越大的壓強，直到超過2.1吉帕，熱水將變成固態冰並在100°攝氏度“凍結”。因此，在非常高的壓強下，你可以在100°攝氏度的奇怪高溫下形成冰！如果你能觸控到這種冰，你會被燙傷。另一種奇怪的現象發生在你在真空中使冰的壓強降低時，冰會在真空環境中低於0°攝氏度的溫度下昇華，從固態變成氣態。固態變成氣態的過程稱為昇華，氣態變成固態的過程稱為凝華。最奇特的現象之一發生在三種物質狀態的三相點，即固態、液態和氣態可以共存的地方。對於純水（H2O），這發生在0.01°攝氏度和611.657帕的壓強下。當水、冰或水蒸氣處於這種溫度和壓強下時，你會觀察到水同時沸騰和凍結的奇怪現象！
相圖表明，物質的狀態是物質內部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彼此分開，同樣，隨著壓強的增加，物質的分子被推得更靠近。溫度和壓強之間的這種平衡決定了在每個離散的溫度和壓強下存在哪種物質狀態。
更高階的相圖可以指示固態中分子的不同排列方式，因為它們受到不同的溫度和壓強的作用。這些更高階的相圖說明了固態物質中晶格結構的變化，這些物質堆積得更緊密，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強下主要以氣體的形式存在。然而，當二氧化碳冷卻到-78°攝氏度時，會發生凝華，從氣態變成固態。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，因為在正常壓強下，固態和氣態之間的相變不會像水那樣經過液態階段。這就是為什麼放在冷卻器裡的乾冰不會弄溼你的食物，但會使你的食物保持低溫，而且實際上比由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，暗示了一種額外的第四種物質狀態。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。
當考慮兩種或多種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）組分的比率。阿爾·肯迪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，它將是更濃縮的酒精形式，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成分的分佈。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、閃電和圍繞太陽的等離子體。等離子體從技術上講不是一種物質狀態，因為它不包含足夠質量的粒子。儘管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，您將被介紹在相圖極端限制下的其他物質相。
不同物質狀態具有不同的密度。密度，您可能還記得，是衡量物質質量與體積之比的指標。換句話說，它是在給定空間（體積）內原子的數量（質量）。比重是物質密度與水密度的比較。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，表示物體與水的密度相同。無論固體、液體還是氣體，比重高於1的物質都會下沉，而比重低於1的物質會漂浮。液體的比重使用比重計測量。否則，密度是透過找到質量並將其除以測量的體積（如果物體是不規則固體，通常透過水的排水量）來測量的。
大多數物質在固態時的密度往往高於液態，大多數液體的密度高於氣態。這是因為固體在較小的空間內將更多原子堆積在一起，而不是液體，並且固態物質中堆積的原子比氣態物質多得多。這個規則也有例外，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密度較低的鍵網路，並在更大的空間內擴散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。但是，大多數物質在固相中的密度都高於其液相。
密度以kg/m3或比重（與液態水相比）來衡量。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。在地球表面以上100公里處（靠近外太空邊緣），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。這之前在計算地球密度時，在反駁地球內部存在空心中心的假設時就討論過。
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的值根據每個行星的密度而不同。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來測量，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來測量，例如在平衡型秤中，已知質量的標準物在秤上保持平衡。
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