晶体物质的熔化过程与凝固过程相反是什么意思?

为什么结晶温度一定要低于理论结晶温度?

由热力学知:状态自由能:G=H-TS,dG=VdP-SdT,等压条件下,dP=0,固dG=-SdT或者dG/dT=-S。由于液态SL>SS,固液相自由能下降的快,所以只有当温度低于Tm时,固态金属的自由能才低于液态金属的自由能,液态金属才能自发地转变为固态金属。如果温度高于Tm,液态金属不能转变为固态。固态和液态两相自由能的变化之差构成了金属结晶的驱动力。

为什么金属结晶时必须过冷?

要获得结晶过程所必需的驱动力,一定要实际结晶结晶低于理论结晶温度,这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大,液、固两相自由能差值越大,即相变驱动力越大,结晶速度越快。

晶体核心的形成和晶核长大。

①均匀形核:金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形成核心;

②不均匀形核:依靠外来夹杂物所提供的异相界面非自发不均匀地形核。

单位时间单位体积液相中形成的晶核数目,以N表示,单位为cm-3/s。受两个因素控制:一方面是随着过冷度的增加,晶核的临界半径和形核功减小,易于形核;另一方面临界形核或晶核长大,必须伴随着原子向晶核迁移,即受扩散能力影响。

因此形核率可用下式表示:N=N1N2,其中,N1受形核功的影响的形核率因子,N2受原子扩散能力影响的形核因子。

两者共同作用,使N曲线出现了极大值,开始时形核率随过冷度的增加而增大,当超过极大值后,形核率又随过冷度的增加而减小。

实际金属形核率N∝e-1/ΔT2,在达到极大值之前金属已凝固完全了。r*与r的过冷度关系曲线相交于ΔT*处,小于ΔT*时,液相中不存在具有r*大小的原子集团,因而不能形核,大于ΔT*时,液相中存在满足r*尺寸要求,而发生均匀形核。ΔT*叫临界过冷度,也叫有效过冷度。有效过冷度大约等于0.2Tm(K)。

非均匀形核的形核率决定因素

  1. 过冷度:过冷度越大,非均匀形核率也越大,与均匀形核对比,相同的形核功,非均匀形核需要更小的过冷度;相同的过冷度,需要更低的形核功。

  2. ①夹杂特性:θ越小,形核率越大,夹杂与固体晶核间的界面张力越小,提供大的形核率。有两类夹杂具有低的界面张力,可作为非均匀形核的基底,提供大的形核率,一类是同晶或活性夹杂,与固相具有相同的晶体结构;另一类是非同晶的难熔活化夹杂,其凹孔处包含难熔的同晶固相,可作为形核的基底。

    ②夹杂基底表面形态:形态不同,形成临界晶核的体积不同,凹形基底的夹杂形成临界晶核的体积最小,形核率大。

    ③夹杂数量:数量越多,非均匀形核率越大。

  3. 液体金属的过热:当液体温度过热,可使难熔夹杂熔化或是使其表面的活性去除,失去活化夹杂的特性减少活性夹杂数量。形核率下降。

  1. 正温度梯度:液相的结晶从冷却最快、温度最低的部位(模壁)开始。液体中心有较高的温度,液相的热量和结晶潜热沿已结晶的固相和模壁散失,因而界面前沿液体的过冷度随离开界面距离增大而降低,液体内部是过热的。

  2. 负温度梯度:极缓慢的冷却条件下,液体内部温度分布比较均匀,冷到一定过冷度下,液中某些能量有利区形成晶核并长大,长大放出潜热,使液固界面处温度高于液体内部,而出现随离开界面的距离增加,液体的过冷度增大,液体处于过冷状态。

  1. 平面方式长大:液体具有正温度梯度分布情况下,晶体以平界面方式推移长大。

  2. 树枝状方式长大:液体具有负温度梯度的条件下,界面上偶然凸起将伸入过冷的液体,液体有更大的过冷度,有利于晶体长大和凝固潜热的散失,从而形成枝晶的一级轴,一个枝晶的形成,其潜热使邻近液体温度升高,过冷度降低因此类似的枝晶只在相邻一事实上间距的界面上形成,相互平行分布。在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高,这种负温度梯度使一级轴上双长出二级轴分枝,以及多级的分枝。枝晶生长的最后阶段,由于凝固潜热,使枝晶周围的液体温度升高到熔点以上,液体中出现正温度梯度,此时晶体依靠平界面方式推进,直至枝晶间隙全部填满。

晶体微观长大方式和长大速率(与界面结构有关)

  1. 具有粗糙界面的物质(垂直长大机制):界面有50%的空位,可以接受原子,故液体中的原子可以单个进入空位界面沿其法线方向垂直推移,晶体连续向液相生长,即连续长大,长大速率与过冷度呈正比:G1=K1·ΔT。大多数金属采用这种生长方式,最快的生长速度。

  2. 光滑界面晶体的长大(二维晶核长大机制):以均匀形核的方式在晶体学小平面界面上形成一个原子层厚的二维晶核,与原界面间出现台阶,个别原子可在台阶上填充,使二维晶核侧向生长,当该层填满后,再在新的界面上形成新的二维晶核,如此反复。长大速率取决于二维晶核的形核率,G2=K2e-B/ΔT。过冷度增加,长大速率增加当过冷度很大时,长大速率接近粗糙界面的连续长大速率。

  3. 螺旋长大方式(螺型位错长大机制):光滑界面存在螺位错的露头,该界面成为螺旋面,形成台阶,原子附着台阶上使晶体长大。其速率与过冷度关系:G1=K3·ΔT2,长大速率低于连续长大,过冷度大,螺位错多,生长速度快。

宏观与微观长大方式综合

正温度梯度下:宏观以平面方式生长,微观粗糙界面以连续生长方式,微观光滑界面以二维晶核生长方式;金属型粗糙微观界面有光滑或平直宏观界面,平整型光滑微观界面有曲折的小平面状宏观界面。

负温度梯度下:微观粗糙界面以树枝状方式生长,微观光滑界面也有树枝状长大的倾向。

以感应加热的方法将金属逐步熔化,金属棒从一端到另一端进行局部熔化,凝固过程也随之逐步进行。熔化区从开始端到终端,杂质元素就富集于终端,重复移动多次,金属棒纯度大大提高。

由于在不平衡凝固时,液相中溶质分布不均匀,在正温度梯度下,也会引起过冷,这种由于成分不均匀引起的过冷叫成分过冷。产生成分过冷的条件:液相中低的温度梯度,大的凝固速度和高的溶质浓度。

  1. 宏观偏析:在不存在成分过冷,晶体以平面方式生长,先结晶部分溶质浓度低,后结晶部分溶质浓度高,晶体宏观各区成分不均匀。

  2. 胞状偏析:有小的成分过冷,晶体以胞状方式生长时,先结晶的胞状凸出部分,溶质含量低,被排出的溶质,向周围扩散,在侧向富集,最后结晶,因而胞晶内部溶质浓度低,胞界部位富集溶质,形成胞状偏析。

  3. 树枝状偏析:当成分过冷很大,晶体以树枝状方式生长时,先结晶的枝晶主干部分溶质含量低,后结晶的枝晶外围部分富集溶质,形成树枝状偏析。

金属与金属组成的共晶具有典型形态。二金属具有相接近的过冷度和长大方式,形成规则的层片状或杆状共晶。金属与非金属组成的共晶具有非典型形态。非金属具有光滑界面,长大靠二维晶核方式,故二者组成相的生长不同,金属晶体领先,非金属晶体滞后,领先相形成树枝状、鱼骨状、弯曲状,滞后生长的非金属填补金属未占据的间隙,最后形成非典型形态的共晶组织。

  1. 表面细晶区:是与模壁接触的液体薄层在强烈过冷的条件下结晶而形成的。温度较低的模壁有强烈的吸热和散热作用,使靠近模壁的一薄层液体具有极大地过冷度,加上模壁及其上的杂质可以作为非均匀形核的基底,因此过冷液体可以产生大量的晶核,并可以树枝状向各个不同方向长大,因而形成细小、等轴的晶粒。由于晶核数量很多,相邻的晶粒很快相遇,加上结晶区结晶快,放的潜热来不及散失,而使液固界面的温度急剧升高,使细晶区很快停止,得到一层很薄的细晶区壳层。(表层细晶区形核数目决定于模壁的形核能力及模壁处所能达到的过冷度大小。后者依赖于铸锭模的表面温度、铸锭模的热传导能力和浇注温度等因素。

  2. 柱状晶区:细晶区形成以后,模壁温度升高,散热减慢,液体冷速降低,过冷度减小,不再生核,细晶区中生长速度快的晶体可沿垂直模壁的散热反方向发展,其侧向生长因相互干扰而受阻,因而开成一级主轴发达的柱状晶,具有较大生长速度的柱状晶的晶体学方向在面心和体心立方晶体中是<100>,在密排六方晶体中为<1010>。

  3. 中心等轴晶区:柱状晶长大中,铸锭温度升高,中心液体温度逐渐降低至熔点以下,达到一定的过冷度,或者,对合金铸锭,由于结晶固相中排出溶质原子,使液相富集溶质原子,产生成分过冷。在中心区的过液体中,依靠外来夹杂、浇注时流动冲刷到中心区的细晶区小晶体、重熔脱落飘移至中心液体中的柱状晶枝晶等可以非均匀形核,这些晶核在过冷液体中的生长没有方向性,而形成等轴晶体。

  1. 影响晶粒大小的因素:晶粒大小指等轴晶的大小和柱状晶的粗细。

    ①冷却速度:冷却速度大,过冷度大,形核率增加,晶粒变细。

    ②变质处理:实际铸锭凝固,主要依靠非均匀形核,人为加入形核剂可增加非自发晶核的形核数目,这种处理称为变质处理,形核剂称为变质剂。常用的变质剂有高熔点的金属和化合物,如铝合金中加入Ti,Nb和TiC,铜合金中加入Fe,低合金中加入Ti,Al,碳化物。

    ③加热温度:金属熔化后加热温度叫作过热。对晶粒大小有重要的影响,一方面过热可使作为非自发形核基底的夹杂熔化,降低形核率,另一方面能促使液态金属过冷,增大过冷度,形核率增加。锭模冷却能力不大时,过热起减小自发形核的作用,晶粒变粗;锭模冷却能力大,液体量不多,过热促进过冷的作用,晶粒细化。

    ④液体金属的振动:增加晶核的数目,细化晶粒。

  2. 影响晶区分布的因素:晶区分布指柱状晶区和等轴晶区的分布(取决于散热方向,单向散热柱晶发达,各向散热形成等轴晶区。

    ①冷却强度:强度大,形成大的温度梯度,引起发达的柱状晶。

    ②液体金属的过热:过热,增大内外温度差和温度梯度加强了单向散热,不易形成等轴晶,延长了柱状晶生长。

    ③外来夹杂或变质剂:易形成等轴晶,柱状晶区缩短。

  3. 总:液体金属过热得到粗而长的柱晶,加大锭模冷速发展细而长的柱晶,锭模预热得到粗大的等轴晶,添加变质剂发展细小的等轴晶。

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1.理解气态、固态和液态是物质存在的三种形态,能描述这三种物态的基本特征.

2.理解熔化、凝固的含义及它们吸放热情况,了解晶体和非晶体的区别.

3.知道熔化曲线和凝固曲线的物理含义.

1.通过探究固体熔化时温度变化的规律,感知发生物态变化的条件.

2.了解有无固定的熔化温度是区别晶体和非晶体的一种方法.

3.通过探究活动,了解图象是一种比较直观的表示物理量变化的方法.

与价值观通过教学活动,激发学生对自然现象的关心,产生乐于探索自然现象的情感.

通过实验探究熔化、凝固的规律.

学生实验,六人一组.每组配备熔化实验仪器:酒精灯、铁架台、石棉网、温度计两支、海波、蜡、水、火柴、坐标纸、实验报告等.

1.对熔化、凝固的理解及晶体与非晶体性质的理解.

2.晶体、非晶体熔化与凝固图象的区别.

示法,实验法,分析法,实验法,讨论法,讲解法,练习法








1.物质存在的三种状态: 固态 液态 气态 .

 2.物质由 态变成 态的过程叫熔化,物质由 态变成 态的过程叫凝固,熔化要 热,凝固要 热,晶体熔化时的温度叫 熔点 ,液体凝固形成晶体时的温度叫 凝固点 .

3.固态物质分 晶体 非晶体 两大类,它们之间的区别是 晶体 有熔点, 非晶体 没有确定的熔点.晶体中分子排列是有规则的,非晶体中分子排列是杂乱无章的.

教师引导学生复习上一节内容,并讲解布置的作业(教师可针对性地挑选部分难题讲解),加强学生对知识的巩固.

教师播放冰、雪、雨、霜的图片,以及烧杯中的水烧开后越来越少的图片,引导学生思考以下题目.

思考题:(1)刚才播放的冰、雪、霜是什么物态?

(2)雨水是什么物态?(3)水蒸气是什么物态?

学生回答:(1)冰、雪、霜是固态.(2)雨水是液态.(3)水蒸气是气态.

物质的聚集状态叫做物态,物态通常有三种:

固态、液态和气态,物质的三种状态之间可以相互转化,下面我们就一起来学习固态和液态之间的相互转化.

春天来了,湖面上的冰化成水;固态的铁、铝等金属块在高温下变成了液态等,这些都是物质由固态变成液态的现象.你见过哪些物质由液态变成固态的现象?

生:冬天到了,气温下降,湖面上的水结成冰;工厂的铸造车间里,工人将铁水浇在模子里,冷却后,铁水变成了固态的铸件等,这些都是物质由液态变成固态的现象.我们把物质由固态变成液态的过程叫做熔化.物质由液态变成固态的过程叫做凝固.刚才我们提到的冰化成水是熔化,水结成冰是凝固.铁、铝等金属块在高温下变成液态是熔化,铁水铸成工件是凝固.熔化和凝固是固态和液态之间相互变化的两个过程,这两个过程的初、末状态相反,它们是互逆的两个过程.

1.物质从一种状态变为另一种状态叫做物态变化.物质以什么状态存在跟物质的温度有关

2.熔化:物质由固态变成液态.

3.凝固:物质由液态变成固态.

4.熔化和凝固是互逆的两个过程.

【例1】(多媒体展示)在横线上填上相关的物质状态.(选填“固”、“液”或“气”)

答案:(1)液固(2)固液(3)固气

【例2】(多媒体展示)夏天,久放在冰箱里的西瓜会变得很硬,甚至刀都切不动,则西瓜在冰箱中发生的物态变化是(   

解析:西瓜虽是固体,但里面含的汁液是液体,液体在低温状态下变成了固体,所以是凝固现象.

(1)熔化、溶化和融化三者并不是同一个概念,不可以混淆.熔化是指物质从固态变成液态的过程,如冰吸热转变成水;溶化是指固态物质在液体中分散开来,最后变成液态的现象,如糖在水中溶化;融化是冰、雪等变成水.

(2)判断物质的物态变化不能只看最终形成的物质状态,而必须分析变成这种状态的初始状态是什么.熔化的初态是固态,末态是液态;凝固的初态是液态,末态是固态.

  熔点和凝固点晶体和非晶体

1.实验探究固体熔化时温度的变化规律

教师提出问题,引导学生思考:

(1)在熔化过程中,物质温度是怎样变化的?

(2)是不是每一种物质熔化时温度都相同?

学生提出假设与猜想:(1)在熔化过程中物质温度应该不断上升.(2)每一种物质熔化时温度应该不同.

教师组织学生分组设计实验论证.(为了让学生发挥团结协作且更好地完成探究实验,教师将整个班级的同学分成6个科学研究组,每个小组推举一个小组长)

组长组织讨论:(1)怎样设计实验,实验中需要哪些实验装置?

(2)怎样组装这些实验装置,实验中需要注意哪些问题?

(3)实验过程中如何分工使实验有条不紊?

小组讨论并汇总,每个小组派代表上台演示组装实验装置的过程,讲述实验中需要注意的事项:如①温度计要完全浸入被测物体中;②实验时为了让物体受热均匀要不断搅拌;③注意酒精灯的使用安全;④实验过程中分工要求一人报时,一人报温度值,一人搅拌,一人报物质状态,一人记录,一人照顾仪器.

教师组织学生进行实验,探究海波与石蜡熔化时温度变化情况.

2.熔点和凝固点晶体和非晶体

同学们通过实验知道有的固体在熔化过程中虽然吸热,但温度保持不变,如海波、萘等;有的固体在熔化过程中,只要不断地吸热,温度就不断上升,没有固定的熔化温度,如蜂蜡、松香、沥青、玻璃等,这两类熔化温度变化不同的物质,我们可以用晶体和非晶体来区别.

教师引导学生阅读教材P56“小资料——几种晶体的熔点”,并读一种物质的熔点加以解释:如钨的熔点是3140℃,说明钨在熔化时温度保持在3140℃不变.教师引导学生做下列思考题:(多媒体展示)

学生回答:(1)固(2)固(3)固(4)液

【例3】(多媒体展示)在一个标准大气压下,固态水银的熔点为-38.8℃,固态酒精的熔点为-117℃.在我国北方的寒冷地区,要使用酒精温度计,而不用水银温度计,是由于(   

C.液态水银比液态酒精的凝固点高   D.液态水银比液态酒精的凝固点低

解析:同一种物质的凝固点跟它的熔点相同.固态水银的熔点为-38.8℃,液态水银的凝固点也为-38.8℃;同理,液态酒精的凝固点也是-117℃.在我国北方的寒冷地区,冬天气温常常要达到-40℃以下,水银在这个温度下就要凝固,所以在我国北方的寒冷地区,不宜使用水银温度计.酒精温度计管中的酒精,凝固点是-117℃,在较低的温度下还能保持液态,所以在我国北方的寒冷地区,使用较多的是酒精温度计,选项C正确.

酒精灯的使用方法和注意事项:

(1)酒精灯要用点火工具点燃,严禁用一盏酒精灯点燃另一盏酒精灯.

(2)使用时要用酒精灯的外焰加热.

(3)用完酒精灯必须用灯帽盖灭,不能用嘴吹灭.

此实验成功的关键是保证海波受热均匀,注意采取以下措施:(1)试管应选择较细的,从而增大海波的受热面积;(2)海波不宜太多;(3)加热应缓慢,使试管内外温差保持在2℃~3℃.

碘、冰、食盐、石英、海波、萘、各种金属等是晶体,而橡胶、玻璃、石蜡、松香、沥青等是非晶体.

(1)能否用铝锅熔化铁?

(2)冰在0℃时是什么状态?

这节课,我们学习了物态变化的“熔化和凝固”,知道了熔化和凝固现象的有关知识.同学们还成功地完成了晶体和非晶体熔化实验,探究出了晶体和非晶体熔化时的温度变化规律,掌握了科学探究的方法,为今后的成才之路奠定了良好的基础.这节课就到这,谢谢!

【教材P56“想想议议”】

1.在图甲中,EF、FG、GH各段分别表示温度怎样变化?物质是在吸热还是在放热?物质处于什么状态?

解:对照图甲,EF段表示温度逐渐降低,晶体放热,物质处于液态;FG段表示温度不变,是晶体放热的凝固过程,物质处于固液共存态;GH段表示温度继续降低,此时物质放热,处于固态.

2.黑龙江省北部最低气温曾经达到-52.3℃,这时还能使用水银温度计吗?应该使用什么样的液体温度计?

解:由于温度计的工作原理是利用液体热胀冷缩的性质.而水银的凝固点为-39℃,所以当气温达到-52.3℃时,水银早已凝固,不能用来测量.我们所选的液体温度计中的液体凝固点应低于-52.3℃,此时它不会凝固,才可以正常工作,我们知道酒精的凝固点较低,为-117℃,故可以使用酒精温度计.

【教材P57“动手动脑学物理”】

2.在探究固体熔化过程温度的变化规律时,如果记录温度的时间间隔过长,可能会带来什么问题?

解:如果记录的时间间隔过长,会错过晶体熔化时固液共存温度不变的时间,导致画错固体熔化图象,而不能正确识别物质是否是晶体.

3.如图是某种物质熔化时温度随时间变化的图象.根据图象的什么特征可以判断这种物质是一种晶体?它的熔点是多少?从晶体开始熔化到所有晶体完全熔化,大约持续了多长时间?

探究固体熔化时温度的变化规律实验用到了图象法,利用图象处理数据具有直观、形象、简捷和概括力强等优点.

解:该物质在熔化过程中温度保持不变,是晶体,熔点是80℃,持续了大约15min.

解析:固态的萘吸热温度升高,当温度达到80.5℃,而还没有开始熔化时为固态;熔化了一部分时温度是80.5℃,为固液共存态;刚刚全部熔化时是80.5℃,为液态.

布置作业:教师引导学生课后完成本课时对应练习,并预习下一课时内容.

1.本节课首先以学生熟悉的冰可以变成水及水可以变成水蒸气为例,让学生认识物质的三种状态,继而引入物态变化,引入熔化和凝固.教学中,对于物质的三种状态的认识,可通过一些具体的事例并结合多媒体,让学生尝试对它们进行分类.

2.在探究海波熔化特点和蜂蜡熔化特点中,先让学生分组讨论实验过程中需要注意的问题和分工情况,然后积极主动地设计实验并参与探究活动,有意识地培养学生的设计和规划能力、观察和动手能力、分析问题和解决问题的能力,并有助于培养学生严谨的科学态度.在这个实验探究活动中,由于学生要写实验报告,因此教师应给予详细指导.

3.在本节教学过程中,有三个易错点要让学生理解:①处于熔点温度的晶体,有哪几种存在的状态;②溶化和熔化、融化的区别;③物质吸热温度不一定升高,放热温度也不一定降低.

4.对于凝固过程的特点,在教学过程中不必具体展开,为学生留下继续探究的空间,教学中可采用实验推理的方法,引导学生自己得出结论.对于熔化和凝固的应用,在教学中不必作过多的介绍,也可以不涉及到它们对人们带来的不利影响,建议让学生课后通过上网查阅资料,对熔化和凝固的应用作进一步的了解.

教学过程中老师的疑问:

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