每年讲到物态变化中的熔化时,我们会紧接着就会给学生做海波熔化实验,
但发现很多时候,我们想要得到晶体熔化时温度保持不变的结果非常的难,几乎没有成功过。于是,我们常以“海波晶体不纯”、“加热不均匀”和“温度计有偏差”等因素给学生做以简单的解释,之后,直接给学生书上的结论:晶体熔化时温度保持不变。
大部分,学生对这实验结论是认可的了,因为课本都是这样白纸黑字写下来的了。不过,有小部分爱思考的学生会把问题转移到,这是为什么?昨天我就遇到一个敢向我发问的学生:老师,晶体熔化时温度为什么不会上升而非晶体就会?
记得,在我读中学的时候,当时的物理教材书上,对这类问题是剖析得比较多的,那时没有辅导班,只凭一本教科书也能知道这些知识的来龙去脉,(当然,当年的教科书很厚字体也很小),勤奋的学生几乎可以自学,连物理实验我们也没有见过几个,也上大学了。现在,我们再翻学生的课本,在减负减压的论调下,我们的教材很多时候只给予了简单的现象和结论,甚至只出现了探索活动过程,但是什么原因有这些物理现象的?翻完整本书,你很难找到这些答案。其实,这对学生培养科学思维并不见得有利。
现且放下这些不论,学生能敢于提出问题, 晶体熔化为什么温度不会上升而非晶体会?这要从晶体的结构说起。
晶体和非晶体所以含有不同的物理性质,主要是由于它的微观结构不同.组成晶体的微粒——原子是对称排列的,形成很规则的几何空间点阵.空间点阵排列成不同的形状,就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状.组成点阵的各个原子之间,都相互作用着,它们的作用主要是静电力.对每一个原子来说,其他原子对它作用的总效果,使它们都处在势能最低的状态,因此很稳定,宏观上就表现为形状固定,且不易改变.晶体内部原子有规则的排列,引起了晶体各向不同的物理性质.例如原子的规则排列可以使晶体内部出现若干个晶面,立方体的食盐就有三组与其边面平行的平面.如果外力沿平行晶面的方向作用,则晶体就很容易滑动(变形),这种变形还不易恢复,称为晶体的范性.从这里可以看出沿晶面的方向,其弹性限度小,只要稍加力,就超出了其弹性限度,使其不能复原;而沿其他方向则弹性限度很大,能承受较大的压力、拉力而仍满足虎克定律.当晶体吸收热量时,由于不同方向原子排列疏密不同,间距不同,吸收的热量多少也不同,于是表现为有不同的传热系数和膨胀系数.
石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精等就是常见的晶体.
非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列,没有一个方向比另一个方向特殊,如同液体内的分子排列一样,形不成空间点阵,故表现为各向同性.
当晶体从外界吸收热量时,其内部分子、原子的平均动能增大,温度也开始升高,但并不破坏其空间点阵,仍保持有规则排列.继续吸热达到一定的温度——熔点时,其分子、原子运动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列,空间点阵也开始解体,于是晶体开始变成液体.在晶体从固体向液体的转化过程中,吸收的热量用来一部分一部分地破坏晶体的空间点阵,所以固液混合物的温度并不升高.当晶体完全熔化后,随着从外界吸收热量,温度又开始升高.而非晶体由于分子、原子的排列不规则,吸收热量后不需要破坏其空间点阵,只用来提高平均动能,所以当从外界吸收热量时,便由硬变软,最后变成液体.玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等就是常见的非晶体.
这里有位教师,讲得更有趣,他说,简单的说,晶体里面的分子(或者原子或者离子)就像在操场上站着的方队一样,分子都成规则排列。而且,分子们还都互相拉着手,以保持整体的稳定。熔化呢就是要打乱这个方队,让这些分子们可以去自由的跑动。已经熔化的分子们会吸收热量,然后用吸收的能量让自己跑的更快,(冰熔化成为水,吸收能量使得分子热运动加快,分子平均动能增强),动能增强。但是还待在晶体里面的分子,他们让自己动起来之前,还得要先让自己挣脱周边小伙伴们的拉力(在化学里面称这种力为各种作用力或者是键)。所以在加热时候,分子们会把吸收的热量先挣脱周围分子的作用力,而不是让自己动的更快。不巧的是,温度只是对分子平均动能(通俗的讲就是质量一定的分子运动的快慢)的反映,分子们不动,自然温度也就不会变化了。非晶体就不这样了,非晶体分子排列散乱,吸收了热量,分子热运动就会加剧,
所以熔化过程温度也就持续升高了。