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
晶体微观长大方式和长大速率(与界面结构有关)
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。
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。
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
演示法,实验法,分析法,实验法,讨论法,讲解法,练习法 |
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1.物质存在的三种状态: 固态 、 液态 、 气态 . |
2.物质由 固 态变成 液 态的过程叫熔化,物质由 液 态变成 固 态的过程叫凝固,熔化要 吸 热,凝固要 放 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 和 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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