关于固定容器中水沸腾的分析——固定容器中的水在温度高于沸点时发生沸腾的原因与不发生沸腾的物理条件

罗烛红

(青海湟川中学 青海 西宁 810008)

在日常生活中，我们发现只要给装有水的容器加热升温，当温度超过水的沸点时，水就会产生沸腾．在实际教学过程中，教师和学生也探讨有无办法在温度接近或超过水的沸点后，让水不发生沸腾．本文从对应态方程出发，先分析水沸腾的原因，然后提出即使在温度超过水沸点情况下水也可能不发生沸腾的物理条件．

1 引言

对应态定律是指利用临界参量把范德华瓦尔斯方程无量纲化后的结果，下面简要地写出其推导过程和对应态方程的形式．

范德华瓦尔斯方程

(1)

这里P，V，T和n分别是压强、体积、温度和物质的摩尔量，a和b是由实验确定的参数．

在温度T取常数时，从上述方程可以得到压强P作为体积V的函数

(2)

Vc=3nb

(3)

各种物质的物态方程可以统一用该式描述，也因此将此关系式称为对应态定律．

2 利用对应态定律分析水的沸腾

图1 对应态方程的T*，V*和P*的关系

对于水而言，可查表得到其临界温度674.14 K、临界体积0.059 L/mol和临界压强217.6 atm[2]，故在常温常压下，水处于气液共存区域，液态水和水蒸气达到平衡．图2给出了水在临界温度时的对应态方程的压强和体积的关系．对于装有水的密闭容器，我们认为密闭容器的体积不变，故对于水的状态变化一定为等体积过程．下面利用对应态方程说明日常生活中在升温时水发生沸腾的原因．

图2 水在临界温度时的压强P*和体积V*的关系

在实际情况中，固定容器中盛有水，同时容器中又含有水蒸气，水通常处于气液共存区域，而且液态水和气态水处于平衡．正如日常生活经验所知，当升高温度达到沸点时，大量水会变成气态，气态的水以气泡形式在液态水中破裂从而发生沸腾．日常生活中水沸腾的实例也给出水的沸点会随外界压强的减小而减小．下面进一步说明沸点随压强具有这种变化特性的原因．从沸点的定义知，沸点是指某压强下液相与气液共存相交点处的温度，因此不同压强下将有不同的沸点值．按照对应态方程得到的沸腾曲线(见图2左边)给出了不同饱和蒸汽压强下水沸点的变化情况，可以从图中看到沸点沿沸腾曲线是随着压强减小而减小的．这种情况在实际生活中也是易见的，比如在青海高原地段，由于空气稀薄，压强比内地小，烧开水时水的沸点比内地要低，80多摄氏度水就沸腾了．

对于容器的体积而言，存在两种情况，容器体积大于临界体积和容器体积小临界体积．对于第一种情况，水的状态处于图2中的c点，若升温，由于体积不变，水的状态按照图2中带箭头的虚线(3)变化，随着温度的升高，水从气液共存区域进入气体区域，最终全部变为气态．对于第二种情况，水的状态处于图2中的b点，若升温，由于体积不变，水的状态按照图2中带箭头的虚线(2)变化，随着温度的升高，水从气液共存区域先全部变为液态水，再变为气态，显然这个过程不同于前一种情况，尽管温度升高，但水却会先变为液态，最后才变为气态．但是对于这两种情况，升温时水都会从液态变为气态，这说明在固定体积容器中，升高温度到一定值时水都会产生沸腾．

然而，在固定容器中，升高温度到沸点时水可以不产生沸腾吗？这也是可能的，假定容器的体积小于临界体积，而且容积中全部填满水．或者认为水蒸气很少的情况下，水的状态处于图2中的a点，若升温，由于体积不变，水的状态按照图2中带箭头的虚线(1)变化，随着温度的升高，水一直处于液态区域而不会进入气体区域或气液共存区域，这时固定容器中的水在温度高于或远高于沸点时都不会发生沸腾．这里指出，尽管由于缺少汽化中心将导致过热液体，但与本文中的讨论无关．

3 结论

实际情况下水和水蒸气共同存在，在体积不变时，升高温度到相应的沸点，水都会沸腾．但是当体积远小于临界体积且容积内水蒸气很少时，温度达到沸点或高于沸点，水仍处于液态，从而不会发生沸腾．

参考文献

1 汪志诚. 热力学·统计物理(第三版). 北京：高等教育出版社，2003. 118～123

2 赵凯华，罗蔚茵. 新概念物理教程·热学(第二版). 北京：高等教育出版社，2005. 49～52

3 秦允豪. 普通物理学教程·热学(第二版). 北京：高等教育出版社，2002. 309～318