沸騰現(xiàn)象的分析

本文格式為Word版，下載可任意編輯——沸騰現(xiàn)象的分析液體的沸騰現(xiàn)象在生活中常見，但好多人不明白其本質(zhì)。本文從力學(xué)平衡和相變平衡的角度闡述了液體在沸騰前后發(fā)生的物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因，使人們對沸騰現(xiàn)象有更深的理解。

氣泡沸騰飽和蒸汽壓過熱

G632A1674－4810（2023）05－0130－02

液體沸騰過程中有大量現(xiàn)象伴隨發(fā)生，對這些現(xiàn)象人們往往產(chǎn)生疑問。為此，下面以水為例，對液體沸騰過程中的幾種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進行分析。

一沸騰前水內(nèi)的氣泡是怎樣產(chǎn)生的

對容器中的水加熱，首先看到容器底部和內(nèi)壁上出現(xiàn)大量小氣泡。這些小氣泡主要是由溶解于水中的空氣產(chǎn)生的。根據(jù)化學(xué)知識，空氣對水的溶解度隨溫度升高而減小，因此當(dāng)對容器中的水加熱時，靠近底部和器壁的水首先受熱，使溶于其中的空氣分子析出而形成小氣泡。空氣溶于水要達到飽和是一個很緩慢的過程，剛冷到室溫的開水，其中溶解的空氣還很少，遠沒有達到飽和，因此，冷開水開始加熱時很少有小氣泡產(chǎn)生。

小氣泡產(chǎn)生的另一原因是容器壁上和水內(nèi)雜質(zhì)的表面上吸附著少量空氣，而它們對空氣的吸附量隨溫度的升高而減少，當(dāng)水溫升高時，吸附的這些空氣也會形成氣泡。

二沸騰前氣泡在上升過程中體積越來越小的原因

在水沸騰前，由于下層水通過容器底直接與火焰接觸，而上層水未直接與火焰接觸，同時水是熱的不良導(dǎo)體，而水的對流又較緩慢，所以此時下層水溫高、上層水溫低。在氣泡上升的過程中，泡內(nèi)空氣的壓強Pa隨水溫的降低而減小，泡內(nèi)一部分水蒸氣因溫度降低而凝結(jié)成水，這都將導(dǎo)致氣泡體積減小。但氣泡體積減小的根本原因是氣泡上升的過程中泡外壓強大于泡內(nèi)壓強。泡內(nèi)壓強P內(nèi)為泡內(nèi)空氣的壓強Pa與飽和汽壓P飽之和。Pa與P飽都隨溫度的降低而減小，所以P內(nèi)在氣泡上升中是減小的。而泡外壓強為大氣壓P0，水的靜止

壓強ρgh與氣泡的表面張力引起的附加壓強壓強（α為水

的表面張力系數(shù)，R為氣泡的半徑）之和，在氣泡上升時，

ρgh減小，而增大，所以R減小，并且兩者都遠小于大氣

壓P0，所以可以認(rèn)為氣泡上升時泡外壓強P外大小不變。這樣，P內(nèi)＜P外，于是，氣泡體積越來越小。

三沸騰時氣泡在上升過程中體積越來越大的原因

對水繼續(xù)加熱時，由于對流和氣泡不斷地將熱量帶到中上層，使整個容器內(nèi)的水溫趨于一致。這時，氣泡在上升過程中其內(nèi)部的飽和汽將不會凝結(jié)，飽和汽壓P飽與泡內(nèi)空氣壓強Pa不變，因而泡內(nèi)壓強P內(nèi)不變，而水的靜止壓強ρgh，則隨水的深度的變小而減小。這樣，泡內(nèi)壓強將大于泡外壓強，

使氣泡體積增大，而氣泡體積的增大又引起附加壓強的減

小，使泡外壓強進一步減小。于是氣泡在上升過程中體積越來越大，直到水面破碎。

四為什么“響水不開，開水不響〞

在對水加熱的整個過程中，氣泡在脫離容器底部或器壁之前，其體積總是越來越大。氣泡在開始形成時，由于其體積小，所受浮力小于器壁的附著力，因此氣泡不能離開器壁而上升。當(dāng)對水加熱時，氣泡溫度逐漸升高，氣泡內(nèi)飽和汽的壓強P飽增大（原因是隨著水溫升高，水分子運動加劇，使單位時間內(nèi)不僅跑出液面進入氣泡的分子個數(shù)增多，而且進入氣泡的分子的平均速率也增大），氣泡內(nèi)空氣的壓強Pa也增大，而水面上方的大氣壓P0和水的靜止壓強ρgh基本不變，這樣，氣泡內(nèi)的壓強大于氣泡外的壓強，因此氣泡的體積越來越大。當(dāng)氣泡的體積增大到一定程度、氣泡所受的浮力大于器壁的附著力時，氣泡便脫離器壁而上升。

可見，在水沸騰之前，氣泡的體積要經(jīng)過一個由小變大（在氣泡脫離器壁之前），又由大變?。ㄔ跉馀萆仙校┑倪^程。在水溫接近沸點時，有大量的氣泡迅速由小變大、又由大變小，從而使水猛烈的振蕩，并且這種振蕩的頻率還可以與燒水容器的固有頻率一致而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這時人們就會聽到“嘶嘶〞的響聲。在水沸騰時，氣泡的體積一直是增大的，不會發(fā)生由小變大再變小的振蕩過程，因此，水的響聲很小甚至聽不到，這就是“響水不開，開水不響〞的道理。

五液體的沸點隨壓強的增大而升高的原因

由上面的分析可以看出，當(dāng)外界壓強增大時，P外增大。這時，必需使P內(nèi)＝P飽＋Pa增大，氣泡在上升時的體積才能越來越大，即液體才能沸騰。而要使P內(nèi)增大，必需使液體的溫度即沸點升高。因此液體的沸點隨外界壓強的增大而升高。例如，蒸汽鍋爐里的蒸汽壓強，約有幾十個大氣壓，鍋爐里的水的沸點可在200℃以上。

這個問題可由熱學(xué)理論定量來證明。根據(jù)熱學(xué)理論，液體的相變溫度與相變壓強之間滿足“克拉伯龍—克勞修斯方程〞：

（1）

式中，L為液體的汽化潛熱，T為相變溫度，即沸點，V1、V2分別是氣相比容和液相比容。實際上，由于氣相比容V1＞液相比容V2，所以上式尋常寫成：

（2）

假使將蒸汽看成理想氣體，由于理想氣體的狀態(tài)方程

，可得，將此式代入（2）式，則有：

，對P和T分別積分，可得：

（3）

假使研究的液體是水，μ就是水的摩爾質(zhì)量，記作μ水，T0和T應(yīng)分別寫作T0沸和T沸，代表水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點與一般狀況下的沸點水溫絕對溫度。由（3）式可得：

（4）

公式（4）就是液體的沸點T沸隨外界壓強P變化的關(guān)系式，此后式可以看出，當(dāng)外界壓強增大時，液體的沸點升高。

六什么狀況下液體沸騰前會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象

液體沸騰時，液體內(nèi)部有大量的氣泡形成，使汽液分界面大大增加，于是整個液體猛烈汽化。在一般狀況下，液體中容有空氣。以這些既有的空氣泡作核而形成的氣泡具有足夠大的半徑，接近于分界面為平面的情形，只要氣泡中的蒸汽壓等于液體的壓強，即發(fā)生沸騰。假使液體中沒有現(xiàn)存的空氣泡作核，由于漲落而形成的氣泡其半徑必然微小，泡內(nèi)飽和氣壓力必然遠小于外壓力，因此在外壓力壓迫下，小氣泡難于形成，致使液體不易沸騰。當(dāng)達到正常沸點的溫度，即飽和汽壓P飽等于液體的壓強P，力學(xué)平衡條件要求氣泡內(nèi)的蒸汽壓強大于液體的壓強即大于飽和汽壓，而相變平衡條件又要求氣泡內(nèi)的蒸汽壓強小于液體的