关于水沸腾现象的分析讨论

韩文娟+肖心举

摘 要： 本文以水沸腾过程中的气泡为研究对象，从气泡产生、衰亡及氣泡作为汽化核的作用进行讨论，接着结合气泡中的几个压强分析水的沸腾过程，得出水沸腾的条件：气泡内的饱和蒸汽压与外界压强相等。

关键词：相变 沸腾 饱和蒸汽压 弯曲表面的附加压强 过热液体

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）03-0281-01

一、引言

沸腾是液体在一定温度（沸点）下才能发生的汽化现象，属于一级相变，发生时有体积变化同时要吸收热量。微观上看，它是分子热运动剧烈到足够挣脱范德瓦尔兹力的束缚成为“自由”的气体分子的过程，沸腾时液体表面和内部同时发生汽化，会更大程度的降低液体能量。当液体（水）发生沸腾时，液体内部不断冒出气泡，升至水面，然后破裂。生活中看起来很形象，但教学中学生理解起来较为抽象困难，所以本文就以水沸腾过程中的气泡为研究对象，从气泡产生、衰亡及气泡作为汽化核[1]的作用进行讨论，并结合气泡中的几个压强简化分析沸腾过程。

二、水沸腾现象解释

1.汽化核及其作用

1.1汽化核

沸腾中单个气泡的生命周期可概括分为1）汽核生成；2）初期长大；3）中期长大；4）终止期长大；5）可能的萎缩几个阶段：汽核生成是在分子等级上一个刚刚超过热力平衡的小气泡（核）的形成过程。汽核生成以后，初期长大受到惯性效应和表面张力效应的支配。开始时气泡长大的速率很小，但随着气泡尺寸的增大，由于表面张力的作用，而使长大速率增大，在加速长大的中期长大阶段，传热的影响变得越来越大，而惯性力的影响开始减小，当长大过程到达终止期，它受周围液体传热所支配，这加剧了气泡交界面的蒸发，如果气泡在长大过程中碰到冰冷液体就会萎缩，气泡萎缩过程中起支配作用的诸现象与长大过程基本相逆。要使汽核生成或者一个汽核存活下去，基本条件是液体要过热。有两种成核的形式：一种是在纯液体中形成的汽核，它可以是由液体分子的热力波动所产生的高能量分子群，或者由于局部压力降低（如流体加速运动中出现的）而造成的汽穴。另一种是在异物上形成的气泡，可以是加热壁面上一个凹坑或者表面未湿润的悬浮物。

1.2 汽化核的作用

沸腾时，液体内部和器壁上的小气泡起着所谓汽化核的作用，它使周围液体在其中汽化，久经煮沸的液体，因为缺乏气泡作为汽化核，所以加热到沸点以上还不沸腾，这种液体称为过热液体。过热液体不稳定，如果偶然有一粒沙子被投入，就引进了汽化核。随着液体汽化的开始，液体被扰动，更多的汽化核产生，突然发生沸腾，原来过高的温度降到沸点，液体释放出大量的热促使汽化更加猛烈，引起暴沸。为了避免暴沸[2]，锅炉或烧瓶中的水在加热前，应加进一些溶有空气的水或者放进一些吸附有空气的陶瓷片等以提供汽化核。

2.气泡

一般来说，液体的内部和器壁的空隙之中都含有大量的空气，这些空气在液体中形成许多微小的气泡[3]，气泡由于液体表面张力的作用而成球形，气泡内部的蒸汽由于液体不断蒸发，总是处于饱和状态，当把液体加热时，泡内空气的压强不断增大，加上液体和汽泡分界面上，液体不断向泡内蒸发，泡内蒸汽的饱和蒸汽压也不断加大，结果使气泡的体积不断胀大，起初附在容器壁以及杂质颗粒上的气泡，随着温度的升高体积不断胀大，直到气泡所受的浮力大于气泡与器壁或杂质颗粒的附着力时，气泡便离开器壁或杂质颗粒上浮。沸腾开始前一段时间，容器壁上会出现小气泡，而不出现在液体中，这是因为加热的过程是通过器壁传热的，靠近器壁的液体温度上升得比中间液体快，在器壁上形成气泡比中间早，而由于有附着力向下，当气泡体积还不够大的时候，受到的浮力小于向下的附着力，气泡只好贴在容器表面。