過冷狀態

過冷狀態指溫度低於凝固點但仍不凝固或結晶的液體稱為過冷液體。過冷液體是不穩定的，只要投入少許該物質的晶體，便能誘髮結晶，並使過冷液體的溫度回升到凝固點。這種在微小擾動下就會很快轉變的不穩定狀態稱為亞穩態。

基本介紹

• 中文名：過冷狀態
• 外文名：Subcooled state

形成原因

這是由於晶體內分子或原子的排列是有規律的，而液體內則是無規律的。而結晶中心有助於這種無序到有序的轉化。液體越純淨，結晶中心越難形成。如果降低至凝固點以下仍未形成，則過冷。

當用適當的方式緩慢冷卻飽和溶液時，可使其變成過飽和而不析出溶質的結晶，這種現象也稱為過冷，這種溶液稱為過冷溶液。過冷溶液也是不穩定的。

過冷是金屬和合金在凝固過程中一個本質特徵，所有熔體在形核結晶前在某種程度上都能夠過冷。在純金屬液體緩慢冷卻過程中，把所測得的數據繪在的溫度—時間坐標系中，可得到熱分析冷卻曲線。

分析冷卻曲線可知，液體純金屬冷卻到略低於平衡結晶溫度 Tm(又稱為理論結晶溫度、熱力學凝固溫度、熔點或凝固點)時，液體純金屬不會立即自發地結晶，只有冷卻到低於 Tm後的某一溫度 T 時，固相才開始形核，而後長大並放出大量潛熱，使溫度回升到略低於平衡結晶溫度。當凝固完成後，由於沒有潛熱釋放，溫度又繼續下降。平衡結晶溫度 Tm與實際結晶溫度 T 之間的溫差即為過冷度△T，△T=Tm－T。

過冷的必然性

物質的凝固點是固、液兩相平衡時的溫度，此時固液兩相化學勢相等，µ ( s )= µ(l)。但在純淨液體的結晶過程中，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數占分子總數的比例遠遠超出普通晶體(大晶體)，因此，在同樣條件，微小晶粒有較高的表面吉布斯函式和化學勢，即µ(微小晶粒)>µ (普通晶粒)，也即µ (微小晶粒)>µ (l)。故微小晶粒會自動溶化。由於物質的熵總是正值，所以表明物質的吉布斯函式總是隨溫度升高而降低，即G-T圖中各線的斜率均為負值。由於液體的混亂度總比晶體大(即Sl>Ss)，因此液相線較陡，固相線較平緩。在熔融液體溫度達到 T0時，普通晶體與熔體兩相化學勢相等，應有晶體析出。由於漲落現象而局部析出的微小晶粒化學勢較大，因而又自動溶化，只有溫度降到 T 時，使 µ (微 小晶粒 )=µ(l)，此時晶體才能穩定存在。說明微小晶粒的凝固點比普通晶體的要低。這種液體冷卻到正常凝固點以下還未結晶的現象稱作過冷現象，並把正常凝固溫度 T0和過冷液體的溫度 T 之差稱為過冷度，即：過冷度= T −T0。由此可知，只有在過冷的情況下，熔體的凝固才能自發進行。

水的凍結

水的凍結包括降溫和結晶兩個過程。降溫過程中水中開始形成穩定晶核時的溫度或溫度開始回升的最低溫度，稱為過冷臨界溫度或過冷溫度。過冷溫度必然比冰點低，但一旦溫度回升到冰點後，只要水仍不斷地凍結並放出潛熱，水冰混合物的溫度就始終保持在0攝氏度。另外，過冷液體凝固的過程是十分迅速的，通常只需要很短的時間。對過冷液態金屬而言，由於在凝固時瞬間放出大量的潛熱，會發出亮光，稱為輝光。