炎炎夏日,手握冰块,不亦乐乎!你注意过吗,冰块在熔化的过程中似乎并未像蜡烛那样变软,在这个过程中,冰依然是硬的,这是为什么呢?
要弄明白这个问题,就必须探讨它们的分子的微观排列。冰的分子的微观排列是规则的,物理中将这类物质称为晶体;蜡烛的分子的微观排列是不规则的,物理中将这类物质称为非晶体。
如下图所示,图甲表示晶体的微观结构,图乙表示非晶体的微观结构。
随着温度的升高,分子的无规则运动开始变得更加剧烈,于是整个结构的晃动开始加剧。从甲图中可以看出,由于冰的分子与分子间连接的牢固程度处处都是一样的,因此晶体结构会在某个特定的晃动程度下崩溃,这个特定的晃动程度对应的温度就是晶体的熔点。在未达到熔点之前,晶体的微观结构能够承受现有的晃动而不会被破坏,所以晶体不熔化、不变软。
从乙图中可以看出,由于非晶体内分子与分子间连接的牢固程度各处都不一样,有些地方分子与分子结合得很牢固,但有些地方分子与分子结合得又很松散。
因此,在温度逐渐升高的过程中,非晶体内较为脆弱的结构会先被破坏,从而导致内部多处出现分子与分子间连接的“脱钩”现象(好比打坏几处承重墙,导致整栋楼变成危房),致使整体变得不稳定。此时非晶体的宏观表现是“变软”。
若温度进一步升高,非晶体内大部分结构将被破坏,此时非晶体的宏观表现是“变稀”。
若再进一步升高温度,待非晶体内所有固体结构都被破坏时,此时非晶体则全部“变为液体”,因此非晶体没有熔点。
所以,蜡烛熔化的时候会依次历经变软、变稀的过程,而冰却不会经历这些过程。
因此,我们可以根据这一特点来便捷地判断日常生活中的某种物品是晶体还是非晶体。例如玻璃可以被烧软,所以玻璃应该是非晶体(尽管玻璃渣显得晶莹剔透),正是利用玻璃的这一特点,玻璃工艺的技术人员待玻璃烧红变软后,将其塑造成精美的工艺品。
利用物体是否会被烧软来判断物质是否是晶体也不总是准确的。例如铁被烧红后也会变软,但铁却是不折不扣的晶体。铁变软的原因是烧红后,铁的微观排列发生了变化,它从常温时的“体心结构”变成了烧红状态的“面心结构”(面心结构的金属一般比较软,例如铜、铝、铅等。体心结构的金属一般比较硬,比如钨、铁。),因此铁匠常常利用这一变化,将铁烧红,使其变软后再对它进行捶打。
(说明:本文选自重庆八中科普栏目“原来如此”。)