人教新課標(biāo)版初中八上42熔化和凝固教案(完整版)
【正文】 根根銅柱子上面 .原來(lái)，這些銅柱是空心的，盛夏來(lái)臨時(shí)，就把冬天收藏在冰窖里的天然冰塊裝進(jìn)銅柱里，我們知道 ，冰塊在熔化成水的過(guò)程中吸收大量的熱，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他別的物質(zhì)熔化時(shí)吸收的熱量多，銅又是傳熱的良導(dǎo)體，當(dāng)銅柱里的冰熔化時(shí)，銅柱從周?chē)諝馕鼰幔拐麄€(gè)宮殿里的溫度大大降低 .這些銅柱不僅支持著宮殿的屋頂，使宮殿顯得豪華高貴，而且還是消暑降溫的裝置呢！ “引發(fā)固體熔化的控制因素長(zhǎng)久以來(lái)一直無(wú)法確定，最新的模擬計(jì)算成功將不同的觀點(diǎn)統(tǒng)一起來(lái) .”著名物理冶金學(xué)家、劍橋大學(xué)羅伯特卡恩（ R W CAHN） 2020年 10月 11日在《自然》（ NATURE）雜志上發(fā)表了題為“從晶體內(nèi)部熔化 ”的論文，高度評(píng)價(jià)了中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的金朝暉和盧柯博士等近期在熔化研究領(lǐng)域做出的研究成果 . 近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，熔化都是學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn) .人們想知道，為什么晶體發(fā)生熔化？是什么決定了晶體的熔化溫度？在對(duì)熔化問(wèn)題的研究中，林德曼（ Lindemann）和波恩（ Born）判據(jù)為大家公認(rèn) .林德曼認(rèn)為晶格原子的振幅超過(guò)一定限度時(shí)，將會(huì)引起晶格失穩(wěn)并導(dǎo)致熔化 .這一判據(jù)可以解釋?zhuān)w表面先于芯部熔化主要是因?yàn)楸砻嬖诱穹鄬?duì)較大 .而波恩則認(rèn)為熔化是晶格剛性失穩(wěn)的結(jié)果，簡(jiǎn)而言之就是晶體的剛度不足以抵抗熔 化 .大塊晶體的剪切彈性模量于熔點(diǎn)溫度消失是其具體的表現(xiàn)形式 .由于這兩種觀點(diǎn)均具有合理性，熔化研究者也分別采納了不同的觀點(diǎn)，但卻沒(méi)有人注意到它們之間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系 . 金朝暉博士等在研究晶體極限過(guò)熱熔化的過(guò)程中，敏銳觀察到由兩種方法預(yù)測(cè)的晶體極限過(guò)熱溫度非常相近 .為了弄清晶體過(guò)熱熔化過(guò)程的控制因素這一基本問(wèn)題，他們選擇了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)（分子動(dòng)力學(xué)模擬） .他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，理想晶體在高于平衡熔點(diǎn) 20%的溫度（按照絕對(duì)溫標(biāo)）開(kāi)始熔化 .在過(guò)熱的理想晶體中，局部區(qū)域會(huì)自發(fā)地形成幾十至數(shù)百個(gè)排列無(wú)序的原子組成的特征原 子集團(tuán)，隨即這些原子集團(tuán)會(huì)關(guān)聯(lián)，合并進(jìn)而誘發(fā)整個(gè)晶體的熔化 .相關(guān)計(jì)算表明，理想晶體發(fā)生熔化時(shí)的彈性剪切模量減少到零，符合了波恩判據(jù)；而過(guò)熱熔化時(shí)原子相對(duì)振幅的均方根統(tǒng)計(jì)平均為 22%，大于平衡熔點(diǎn)時(shí)林德曼判據(jù)的 12%，但理想晶體原子的表現(xiàn)卻與實(shí)驗(yàn)中晶體表面熔化時(shí)相當(dāng)，晶體表面熔化和內(nèi)部熔化遵從相同的振幅判定規(guī)律 .由此可見(jiàn)，針對(duì)理想晶體過(guò)熱熔化，振幅判據(jù)和剛性判據(jù)是統(tǒng)一的 . 卡恩教授認(rèn)為該項(xiàng)研究成果最具有創(chuàng)新價(jià)值的地方在于：利用計(jì)算模擬不但可以計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參量，還可以追蹤局部原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) .并可以得出結(jié)論 ，由林德曼判據(jù)和波恩判據(jù)共同控制的晶格原子局域失穩(wěn)是極限過(guò)熱溫度下晶體熔化的主要原因 .該結(jié)論從原子層次上解決了熔化發(fā)生機(jī)制的問(wèn)題 . 從另一個(gè)角度看，“林德曼”原子團(tuán)為過(guò)熱晶體中的液相均勻形核提供了條件，進(jìn)一步驗(yàn)證了盧柯博士等提出的晶體熔化均勻形核動(dòng)力學(xué)災(zāi)變理論 .這些研究成果將晶體熔化的林德曼熱振幅判據(jù)、波恩剛性失穩(wěn)機(jī)制和動(dòng)力學(xué)均勻形核失穩(wěn)機(jī)制緊密聯(lián)系起來(lái)，提供了過(guò)熱晶體熔化的完整圖像，大大深化了人們對(duì)晶格熱穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí) . 在國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部的資助下，通過(guò)廣泛的國(guó)際合作，經(jīng)過(guò)近七年的堅(jiān)持不懈的努力，由 盧柯研究員領(lǐng)導(dǎo)的熔化研究小組取得了令人矚目的研究成果，相繼在國(guó)內(nèi)外高影響力雜志上發(fā)表論文 20余篇 .尤其是從 1998年到 2020年，《物理評(píng)論快報(bào)》（ ）先后發(fā)表了他們的三項(xiàng)研究成果：提出晶體熔化均勻形核動(dòng)力學(xué)災(zāi)變機(jī)制，預(yù)測(cè)了迄今最低的晶體過(guò)熱極限溫度；首次實(shí)現(xiàn)了受限納米薄膜的過(guò)熱并闡明了薄膜過(guò)熱的熱力學(xué)原因；由模擬計(jì)算從原子層次揭示理想晶體的極限過(guò)熱熔化過(guò)程，找出了已有熔化理論判據(jù)的內(nèi)在聯(lián) 系 .這些成果贏得了國(guó)外同行的關(guān)注和高度評(píng)價(jià) . 在某一溫度下，原本有規(guī)則排列晶體， 吸收周?chē)哪芰浚构腆w分子產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，分子逃離原本的位置，使原來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞，而變成較散亂的排列，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為熔化 . 當(dāng)純固體加入雜質(zhì)時(shí)，會(huì)破壞原本晶體分子的規(guī)則排列，而使分子間吸引力下降，所以熔化所需能量便會(huì)減少，因此造成熔點(diǎn)下降 .我們可以發(fā)現(xiàn)： 1∶ 4或 4∶ 1混合的熔點(diǎn)比 1∶1 的熔化溫度大得多，這是因?yàn)?1∶ 1 混合的化合物，分子的排列較規(guī)則，而 1∶ 4 或 4∶ 1混合的化合物，可以把 1 的部分看成雜質(zhì)，這樣的分子排列會(huì)顯得較不規(guī)則 .但并不是每種化合物都是在 1∶ 1的組成比例下排列最規(guī)則，必須視混合物組成分子的 大小、結(jié)構(gòu)
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