题目
液体金属在凝固时必须过冷,而在加热使其熔化却毋需过热,即一旦加热到熔点就立即熔化,为什么?今给出一组典型数据作参考:以金为例,其 丫 sl=0.132, 丫 lv=1.128, 丫 sv=1.400分别为液-固、液-气、固-气相的界面能(单位 J/m2)。
液体金属在凝固时必须过冷,而在加热使其熔化却毋需过热,即一旦加热到熔点就立即熔化,为什么?
今给出一组典型数据作参考:
以金为例,其 丫 sl=0.132, 丫 lv=1.128, 丫 sv=1.400分别为液-固、液-气、固-气相的界面能(单位 J/m2)。
题目解答
答案
解:液体金属在凝固时必须克服表面能,形核时自由能变化大于零,故需要过冷。固态金属熔化时,液相若与气相接 触,当有少量液体金属在固相表面形成时,就会很快覆盖在整个表面 (因为液体金属总是润湿同一种固体金属 )。
由于熔化时,?Gv=O,所以?G=?Gv+?G(表面)=?G(表面),因为液体金属总是润湿同一种固体金属,即表面能变化决 定过程能否自发进行,
而实验指出:丫 sv=1.4 >丫 lv + y sl=0.132+1.128=1.260,说明在熔化时,表面自由能的变化 ?G(表面)V 0。即不存在表
面能障碍,也就不必过热。
解析
步骤 1：凝固过程中的过冷现象
在液体金属凝固过程中，需要形成固态晶核。由于固态晶核的形成需要克服表面能，因此在凝固过程中，液体金属必须过冷，即温度低于理论凝固点，以提供足够的能量来克服表面能，从而形成固态晶核。
步骤 2：熔化过程中的表面能变化
在加热使金属熔化时，液相与气相接触，当有少量液体金属在固相表面形成时，会迅速覆盖整个表面。由于熔化时，固态金属转变为液态金属，其自由能变化为零，即 ?Gv=0。因此，熔化过程中的自由能变化主要由表面能变化决定，即 ?G=?G(表面)。
步骤 3：表面能变化的比较
根据题目给出的数据，金的界面能分别为：液-固界面能 丫 sl=0.132 J/m2，液-气界面能 丫 lv=1.128 J/m2，固-气界面能 丫 sv=1.400 J/m2。由于液体金属总是润湿同一种固体金属，即表面能变化决定过程能否自发进行。实验指出：丫 sv=1.400 > 丫 lv + 丫 sl=0.132+1.128=1.260，说明在熔化时，表面自由能的变化 ?G(表面) < 0。即不存在表面能障碍，也就不必过热。
在液体金属凝固过程中，需要形成固态晶核。由于固态晶核的形成需要克服表面能，因此在凝固过程中，液体金属必须过冷，即温度低于理论凝固点，以提供足够的能量来克服表面能，从而形成固态晶核。
步骤 2：熔化过程中的表面能变化
在加热使金属熔化时，液相与气相接触，当有少量液体金属在固相表面形成时，会迅速覆盖整个表面。由于熔化时，固态金属转变为液态金属，其自由能变化为零，即 ?Gv=0。因此，熔化过程中的自由能变化主要由表面能变化决定，即 ?G=?G(表面)。
步骤 3：表面能变化的比较
根据题目给出的数据，金的界面能分别为：液-固界面能 丫 sl=0.132 J/m2，液-气界面能 丫 lv=1.128 J/m2，固-气界面能 丫 sv=1.400 J/m2。由于液体金属总是润湿同一种固体金属，即表面能变化决定过程能否自发进行。实验指出：丫 sv=1.400 > 丫 lv + 丫 sl=0.132+1.128=1.260，说明在熔化时，表面自由能的变化 ?G(表面) < 0。即不存在表面能障碍，也就不必过热。