[科普中国]-过冷状态

形成原因

这是由于晶体内分子或原子的排列是有规律的，而液体内则是无规律的。而结晶中心有助于这种无序到有序的转化。液体越纯净，结晶中心越难形成。如果降低至凝固点以下仍未形成，则过冷。

当用适当的方式缓慢冷却饱和溶液时，可使其变成过饱和而不析出溶质的结晶，这种现象也称为过冷，这种溶液称为过冷溶液。过冷溶液也是不稳定的。1

过冷是金属和合金在凝固过程中一个本质特征，所有熔体在形核结晶前在某种程度上都能够过冷。在纯金属液体缓慢冷却过程中，把所测得的数据绘在的温度—时间坐标系中，可得到热分析冷却曲线。

分析冷却曲线可知，液体纯金属冷却到略低于平衡结晶温度 Tm(又称为理论结晶温度、热力学凝固温度、熔点或凝固点)时，液体纯金属不会立即自发地结晶，只有冷却到低于 Tm后的某一温度 T 时，固相才开始形核，而后长大并放出大量潜热，使温度回升到略低于平衡结晶温度。当凝固完成后，由于没有潜热释放，温度又继续下降。平衡结晶温度 Tm与实际结晶温度 T 之间的温差即为过冷度△T，△T=Tm－T。2

过冷的必然性物质的凝固点是固、液两相平衡时的温度，此时固液两相化学势相等，µ ( s )= µ(l)。但在纯净液体的结晶过程中，首先形成的新相核心(晶核)是很微小的晶粒，而微小晶粒在表面上的分子数占分子总数的比例远远超出普通晶体(大晶体)，因此，在同样条件，微小晶粒有较高的表面吉布斯函数和化学势，即µ(微小晶粒)>µ (普通晶粒)，也即µ (微小晶粒)>µ (l)。故微小晶粒会自动溶化。由于物质的熵总是正值，所以表明物质的吉布斯函数总是随温度升高而降低，即G-T图中各线的斜率均为负值。由于液体的混乱度总比晶体大(即Sl>Ss)，因此液相线较陡，固相线较平缓。在熔融液体温度达到 T0时，普通晶体与熔体两相化学势相等，应有晶体析出。由于涨落现象而局部析出的微小晶粒化学势较大，因而又自动溶化，只有温度降到 T 时，使 µ (微 小晶粒 )=µ(l)，此时晶体才能稳定存在。说明微小晶粒的凝固点比普通晶体的要低。这种液体冷却到正常凝固点以下还未结晶的现象称作过冷现象，并把正常凝固温度 T0和过冷液体的温度 T 之差称为过冷度，即：过冷度= T −T0。由此可知，只有在过冷的情况下，熔体的凝固才能自发进行。2

水的冻结水的冻结包括降温和结晶两个过程。降温过程中水中开始形成稳定晶核时的温度或温度开始回升的最低温度，称为过冷临界温度或过冷温度。过冷温度必然比冰点低，但一旦温度回升到冰点后，只要水仍不断地冻结并放出潜热，水冰混合物的温度就始终保持在0摄氏度。另外，过冷液体凝固的过程是十分迅速的，通常只需要很短的时间。对过冷液态金属而言，由于在凝固时瞬间放出大量的潜热，会发出亮光，称为辉光。1