文档介绍：第一章液态金属的结构与性质
几个问题:
1)为什么研究液态金属的结构与性质?
2)如何研究液态金属的结构?
3) 液态金属的结构是怎样的?
4)如何研究液态金属的性质?
5)液态金属有哪些性质?
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本章内容
固态金属的膨胀与熔化
液态金属的结构
液态金属的性质
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固态金属的膨胀与熔化
1、晶体中的两原子间的作用力与相互作用势能
曲线上两特殊点:
R=R0时,F=0
R=R1时,F为极大值(吸引力)
吸引力-异性电荷间的库仑引力
排斥力-同性电荷间的库仑斥力和泡里原理引起的斥力之和
图1-1 两原子间相互作用力F与原子间距R的关系
吸引力
排斥力
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设两原子间相互作用势能为W(R)
当R增加dR时,力F作的功等于势能W(R)的减小,即:
当R=R0时,F(R0)=0,即
即R=R0时,对应于势能W(R)的最小值。此时,双原子系统状态稳定。
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推论1:在一定条件下,金属中的原子具有一定的排列。
当R=R1时,F最大,dF(R)/dR=0
推论2:势能与原子间距的关系曲线在R1处有一拐点。
图1-2 两原子间相互作用力F和势能W与原子间距R的关系
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2、金属的加热膨胀
图1-3 加热时原子间距的变化
热膨胀:原子间距随温度的升高而增大,产生热膨胀。
热膨胀原因1:势能曲线极不对称。
能量起伏:晶体中每个原子在每时每刻的振动能量都不一样,总有一些原子的能量超过原子的平均能量,有些原子的能量远小于平均能量,能量的不均匀性称之为能量起伏。
热振动:温度高于热力学温度0度,原子在平衡位置振动。
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例1:室温下,两根对挨的不同金属棒可相互焊合:内蒸发造成的不同金属原子间的相互扩散。
内蒸发:部分原子能量较高,能够越过势垒跑到原子间隙或金属表面(离位原子)。重新获得能量后,又可能跑到其它新的位置上,从而造成原子的整个晶体中“游动”,这个过程称之为内蒸发。
蒸发:离位原子跑出金属以外,造成金属的蒸发。
空穴和离位原子形成示意图
空穴
离位原子
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3、金属的熔化
热膨胀原因2:空穴首先产生于金属表面,温度越高,产生的空穴数目越多,从而使金属膨胀。
空穴:离位原子离开点阵后,留下的自由点阵称之为空穴。空穴可以移动。
晶界粘滞流动:晶界上原子排列具有相对不规则性,许多原子偏离平衡位置,具有较高的势能。在熔点附近时,离位原子数大为增加,在外力作用下,这些原子做定向运动,造成晶粒间的相对流动。熔化从晶界开始。
熔化特征:体积突然膨胀3~5%;金属的性质如电阻、粘性发生突变;吸收大量热能-熔化潜热,但为恒温恒压现象-为什么?
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熔化的热力学分析:
原因:不能仅仅用离位原子和空穴数目增加来解释。主要是由于金属从固态变为液态,发生状态改变造成的。
熔化潜热一方面使体积膨胀作功,另一方面增加系统的内能。
恒压下下式成立:
q=d(U+pV)=dU+pdV=dH
式中q-外界供给的能量,即熔化潜热
U-内能 PdV-膨胀功 H-热焓
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熔化是金属从规则的原子排列突变为紊乱的非晶质结构的过程。
在等温等压下,熵值的增量为:
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