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 γSL=0.132, γLV=1.128, γSV=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 γSL=0.132, γLV=1.128, γSV=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=0,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:γSV=1.4>γLV +γSL=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。
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态金属表面形成时，就会很快覆盖在整个表面。由于熔化时，∆GV=0，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。
步骤 3：表面能变化的计算
根据实验数据，γSV=1.400 J/m2，γLV=1.128 J/m2，γSL=0.132 J/m2。计算表面能变化∆G(表面)：
∆G(表面) = γSV - (γLV + γSL) = 1.400 - (1.128 + 0.132) = 1.400 - 1.260 = 0.140 J/m2
由于∆G(表面) < 0，说明在熔化时，表面自由能的变化是负的，即不存在表面能障碍，因此不需要过热。
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态金属表面形成时，就会很快覆盖在整个表面。由于熔化时，∆GV=0，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。
步骤 3：表面能变化的计算
根据实验数据，γSV=1.400 J/m2，γLV=1.128 J/m2，γSL=0.132 J/m2。计算表面能变化∆G(表面)：
∆G(表面) = γSV - (γLV + γSL) = 1.400 - (1.128 + 0.132) = 1.400 - 1.260 = 0.140 J/m2
由于∆G(表面) < 0，说明在熔化时，表面自由能的变化是负的，即不存在表面能障碍，因此不需要过热。