潜热

定义

潜热指一定量的物质在保持温度不变的前提下，由一个相完全转变为另一个相时从外界吸收或向外界放出的热量，属于状态量^[2][4]。按单位质量计的量称为比潜热，按单位物质的量计的量称为摩尔潜热；文献中也常把这一概念直接称为相变潜热^[2]。

固体与液体之间的潜热称熔解热或凝固热，液体与气体之间的称汽化热或凝结热，固体与气体之间的称升华热或凝华热^[4]。同一物质在温度相同、方向相反的两个相变过程中，吸收与放出的潜热数值相等，例如汽化热总等于凝结热^[2]。在热力学中，潜热这一名称已较少使用，现代更习惯用相变焓来表述同一物理量^[1]。

潜热的量值既取决于物质种类，也随相变发生时的温度和压强而改变，因此文献给出的数值都注明对应的熔点或沸点条件^[1][2]。以水为例，在 0 ℃ 和标准大气压下，1 千克冰熔化成同温度的水约需吸收 334 千焦的热量；在 100 ℃ 时，1 千克水汽化成水蒸气所需热量约为 2260 千焦^[1]。同表所列的其他物质中，氨的熔化热约 339 焦每克、汽化热约 1369 焦每克，乙醇则分别约为 108 焦每克和 855 焦每克^[1]。

原理

相变过程中输入的能量主要用于改变分子间的势能，而非提高分子平均动能，所以温度计读数不变，这部分能量便以潜热的形式储存或释放^[3][2]。液体汽化时，一部分热量用于克服分子间引力，另一部分消耗在体积膨胀、对抗外部压强做功上；后者被称为外潜热，与内能之差构成的内潜热一并计入相变潜热^[2]。

以单位质量计，可由 $L = Q/m$ 计算比潜热，其中 $Q$ 为相变吸收或放出的热量，$m$ 为物质质量；比潜热是强度性质，不随样品多少而变^[1]。完整相变所需热量则按 $Q = mL$ 估算，因此同种物质汽化所需的能量通常远大于熔化所需能量，因为把分子完全拆散成气体比使其脱离晶格更费力^[3]。

潜热只出现在一级相变中，与相变温度相关；在物质的三相点处熔解、汽化、升华三种潜热同时存在，其中一种可由另外两种推算^[2]。同一种固体若存在多种结晶形态，在固态之间相互转变的同素异晶转变过程也会伴随相变潜热。

发展历程

潜热概念由苏格兰化学家、物理学家约瑟夫·布莱克(Joseph Black)提出，他约在 1750 年前后使用拉丁文 latere（意为“隐藏”）衍生出 latent heat 一词，用来描述这类不显示在温度计上的热量^[1][5]。1756 年他回到格拉斯哥任教授后，把研究重点转向物态变化中的热传递，观察到冰雪在接近冰点时长时间融化而温度不升，由此系统阐述了这一现象^[6]。

据布莱克自述，他早在 1757 至 1758 年间讲授自然哲学课程时就讲述了潜热学说，此后逐年在格拉斯哥和爱丁堡的课程中讲授^[7]。1761 年他测定了冰的熔解热，1764 年又与助手威廉·欧文一起通过冷凝水蒸气的方法测出蒸汽的潜热，并把测量扩展到锡、蜂蜡等物质^[7]。他本人并未就此专门发表论文，学说主要通过学生的课堂笔记流传^[7]。

同一时期，詹姆斯·瓦特在改良蒸汽机的实验中独立观察到蒸汽冷凝时放出大量热量，并据布莱克的解释理解了这一现象，进而认识到旧式蒸汽机在每次冲程中冷却气缸会浪费大量热量^[8]。他随后采用独立凝汽器等结构减少这种损失，使蒸汽机的燃料经济性明显改善。19 世纪以后，随着热力学建立，潜热逐步被纳入相变焓与热力学第一定律的框架，其早期基于热质的解释被取代^[1]。

应用

在气象学中，水的蒸发、凝结、融解和汽化潜热具有关键意义；例如 0 ℃ 时水的蒸发潜热约为 597.3 卡每克，熔解潜热约为 79.7 卡每克^[9]。台风被看作一台巨型热机，其能量来自湿空气上升时水汽凝结释放的潜热，这也是热带气旋只能在暖洋面上维持和发展的原因之一^[10][11]。

在工程热利用方面，蒸汽通过管道输送并在用热处冷凝，放出潜热即可加热水体或房间，这一方式在热水供应和采暖中长期使用。相变蓄能材料利用材料在固液相变时吸收或释放的潜热储热、放热：以相变温度与空调工况相匹配的材料为例，其相变潜热较高，可弥补水蓄冷储能密度偏低、冰蓄冷温度过低的不足^[12]。

在蓄能空调系统中，热管蓄能器让蓄能材料在夜间用电低谷时凝固、把冷量以相变潜热的形式储存，白天再熔化放冷，从而实现移峰填谷、平衡电力负荷^[13]。此外，建筑围护结构中集成相变材料，可利用其在昼夜温差下的相变潜热削减室内热负荷，相关研究已在屋面与窗户构件中展开^[14]。

局限

潜热只在相变发生的温度区间内起作用，一旦材料完成相变，其储热或释热能力即告用尽，因此相变储能必须依靠反复的固液转换循环，并受材料循环稳定性的约束^[3][15]。在实际材料中还会出现过程度不同的过冷、相分离等问题，需要专门设计配方加以抑制^[12]。

潜热的数值随温度和压强改变，并不存在对所有工况通用的单一常数，使用时须给出对应的相变条件^[2][1]。同时，相变潜热的测量依赖量热手段，早期实验条件的限制曾使测值偏差较大，例如瓦特时代只能用简陋器皿测量蒸汽含热量^[16]。

以潜热为原理的蓄能装置虽然能转移用电负荷，但其蓄能密度仍受材料潜热值限制，装置体积难以大幅缩小；在气象与气候研究中，潜热释放的作用又高度依赖其垂直分布和云微物理过程，模拟结果对参数化方案较为敏感^[13][17]。

参见

• 汽化热 —— 液体变为气体时对应的潜热，是潜热最常见的类型之一。

• 熔化热 —— 固体熔化为液体时吸收的热量，属相变潜热。

• 相变 —— 潜热产生的前提，物质在不同相之间转变的过程。

• 比热容 —— 与潜热同属物质热性质，描述单位质量升温所需热量。

• 热管 —— 借助工质蒸发与冷凝吸收、释放潜热的传热元件。

• 相变材料 —— 利用相变潜热储放热的工程材料。