熔化

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冰的融化

熔化是指物质由固态转变为液态的一个过程(又称熔解,其中的熔化又写作融化融解)。固态物质中的内能增加(通常借由加热或加压)至一特定的温度(称之为熔点),在该温度下(或对于非纯物质,在某温度区段内),会转变为液态[1]

一般物质因温度升高而熔化时,其黏度会下降,唯一的例外是元素,随著温度升高,因为聚合使其黏度会上升到一定程度,温度再上升时其黏度又会下降[2]

有些有机物质熔化时会出现介晶相英语mesophase,是一种介于固态及液态之间的相。

熔化的热力学[编辑]

当纯物质熔化,固态和液态平衡时,其温度维持定值,即为熔点,再继续加热时,其温度不会上升,转换为物质的潜热,也就是熔化热,因此这种熔化是属于一阶相变。

以热力学的观点,在熔点时,物质吉布斯能的变化∆G为零,但H)和S)在增加(∆H, ∆S > 0)。当液态的吉布斯能较固态时要低时,物质就会熔化。此温度和压力有关。

低温的是已知唯一熔化时不会吸热的物质[3]氦3在0.3K以下有负的熔化热,氦4在0.8K以下有相当轻微的负熔化热,这表示在特定的压力下,需要移走热量才能使氦熔化[4]

熔化准则[编辑]

在有关熔化的准则中,最常使用的是林德曼(Lindemann)[5]和波恩(Born)[6]的准则。

林德曼准则认为熔化的原因是因为振动的不稳定性,当晶体中原子的热振动振幅高于原子之间的距离时,晶体就会熔化,也就是<δu2>1/2 > δLRs[7]:177,其中

δu是原子位移,
林德曼参数δL ≈ 0.20...0.25
Rs为原子间距离的一半。

林德曼熔化准则和晶体材料的实验数据一致,也符合非晶质材料的玻璃转化数据。

波恩准则是以消失的弹性剪切模量刚性的影响为基础,也就以晶体在受力时没有足够刚性维持其外形时视为熔化。

过冷[编辑]

一般条件下,一物质的熔点会等于凝固点。但在特定条件下,一物质可能会出现低于凝固点却没有凝固的过冷现象,或是高于熔点却没有熔化的过热现象。水在非常干净的玻璃表面上,可以在温度低于凝固点几度而不会凝固。若没有成核剂的条件下,一大气压时,细乳状的纯水可以在摄氏零下48度才变为固态[8]。成核剂一般是因为材料的特性变化而产生。若一物质静置,没有杂质,也没有外来振动来产生性质的变化,就有可能会出现过冷或过热。以热力学的观点,过冷液体是对应晶体状态相的介晶相,可能会突然的结晶。

无晶形固体的熔化[编辑]

玻璃是一种无晶形固体,其形成方式一般是将熔化的材料快速的冷却到低于玻璃化转变温度的程度,没有足够时间使晶粒生长。材料是液态或是固态是由基本建构单元之间的连接程度所决定,固体的建构单元之间有高度连接性,而液态的建构单元之间的连接性较弱。固体的熔化也可以视为是破坏粒子之间的连接性(例如键结)[9]。以此观点,无晶形固体的熔化是许多键结断裂的渗透,其温度Tg和准平衡的热力学键结参数有关,例如系统在特定条件下形成键结的焓(Hd)和熵(Sd[10]

其中fc为渗透阈值,R气体常数。虽然HdSd不是真正的平衡热力学参数,会和冷却的速度有关,不过可以找到无晶形固体相关的实验资料。

预熔[编辑]

预熔英语Premelting(premelting)也称为表面熔化,是指在温度低于熔点时,在晶体表面上会有准液体的薄膜,其厚度和温度有关。所有晶体材料都会有预熔的情形,预熔的现象可以解释冰的冻胀英语Frost heaving,雪花的生长,晶界的移动,甚至是冰河的运动等。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ 熔化热与汽化热 互联网档案馆存档,存档日期2012-01-11.
  2. ^ C.Michael Hogan (2011) Sulfur, Encyclopedia of Earth, eds. A.Jorgensen and C.J.Cleveland, National Council for Science and the environment, Washington DC
  3. ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta, Chemical Principles: The Quest for Insight 4th, W. H. Freeman and Company: 236, 2008, ISBN 0-7167-7355-4 
  4. ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press: 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6 
  5. ^ F.A. Lindemann, Z. Phys. 11 (1910) 609–615.
  6. ^ M. Born, J. Chem. Phys. 7(1939)591–601.
  7. ^ Stuart A. Rice. Advances in Chemical Physics. John Wiley & Sons. 15 February 2008. ISBN 978-0-470-23807-3. 
  8. ^ Moore, Emily; Valeria Molinero. structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice. Nature. 24 November 2011, 479: 506–508 [24November2011]. Bibcode:2011Natur.479..506M. arXiv:1107.1622. doi:10.1038/nature10586. 
  9. ^ S.Y. Park and D. Stroud, Phys. Rev. B 67, 212202 (2003).
  10. ^ M.I. Ojovan, W.E. Lee. J. Non-Cryst. Solids, 356, 2534–2540 (2010).

延伸阅读[编辑]

物质的相变

basic 转变为
固态 液态 气态 电浆态
固态 熔化 升华
液态 凝固 汽化
气态 凝华 凝固 电离
电浆态 电浆重组英语Plasma recombination