对于这个问题,从化学的角度出发解释。让我们先考虑一个纯水的体系。
在纯水中(不纯水也是,只不过为了少纠缠),所谓沸腾,就是在一个高于沸点的温度上,体相内部(表面不会产生暴沸,就不讨论了),部分液体利用热量气化,产生一个蒸汽相的气泡并使局部的温度降低,然后这个气泡再向上飘,脱离液体的过程。
所谓暴沸,其起始在于气泡的产生,那就没必要多说气泡向上飘的过程了,虽然在暴沸中,向上飘的过程会发生暴沸的链式反应,但是毕竟很好理解了。
所以我们只需要分析气泡的产生就好了。
第一个情况,一个连续的纯水 体相 中,一块液体,温度被加热到100.01度了,多出这0.01度的热量,转给若干个水分子,可以使这些水分子气化。可是这个水分子团太小,产生的气泡很小,记做V1。
第二个情况,还是在连续的纯水体相中,一块液体,温度被加热到100.1度了,多出这0.1度的热量,转给若干个水分子,可以使这些水分子气化。这时的气泡就大一些了我们记做V2。
第三个情况,温度升到101度,产生的气泡更大了,记做V3.
可是有一个升级一点的知识,楼下各位也都提到了,叫做表面张力。虽然这个气泡的气相是水蒸气,比油相的空气更加亲水,虽然温度已经达到了沸点,表面张力系数已经很小,但是还是存在表面张力,倾向于压迫气泡使之回到液体。
而这个张力带来的压力,是和气泡表面的曲率相关的,曲率越大,压强就越大。也就是说,情况1中,V1小,曲率大,温度还低,这个气泡即使产生,也被表面张力的压强给压灭了,重新液化了。这就产生了过热液体现象。
而情况三种,体积大了,曲率小了,温度还高了,这时气泡已经不怕表面张力压它了,就能维持并向上飘了。
但是问题来了,这个气泡可不是量子力学气泡,一下子就从无到有的,它必然是从零到V1那么大的小气泡,再到V2那么大的中气泡,再到V3那么大的大气泡的。
可是这里面时间动态的V1,时间动态的V2,和情况一,情况二的V1,V2那么大的气泡不同的是,他们面临的是情况三的高温度。
所以在情况三的高温度下,产生的气泡从无到有,到V1那么大时,如果温度高到气泡能顶住表面张力带来的压力,那就一定会继续扩大使之增大到V2,继续增大到V3——因为旁边的液体温度高,会继续气化加入这个气泡啊!
看明白了吗?这个气化的过程,一旦能够发生,就是个链式扩增的过程直到气泡飘出去,或是气泡旁边的水温度低至100度。
这就造成在加热纯水的过程中,一直不沸腾,一直憋着,在这个憋的过程中一直有试图沸腾的气泡产生被压灭,产生被压灭的循环中憋着,升温直到有一个气泡突破了某一个尺寸界限,在向上飘的过程中,汇合了很多的液体产生气泡的“趋势”,成了一个大气泡,砰的迸溅出来。这就是暴沸。
注意这是实验室加热蒸馏水才会发生的事情,请大家不要拿烧茶时出现的什么“蟹目”样气泡啦,响边现象啦,来联想,咱们家里烧的水不够纯。即使是纯净水也不行,下面会详细解释。
为什么加入沸石或碎瓷片能防止暴沸呢?为什么家里煮瓶装纯净水也不暴沸呢?
其实都是一个原因,非水气泡。
沸石和碎瓷片中有很多孔隙,这些孔隙里藏有很多空气,在加热的时候,这些空气体积膨胀,就在孔的边缘凸出成了一个个的小气泡,这些气泡也承压,承受水表面张力带来的压力,而且这些气泡还是亲油的,承受的表面压力更大,可是它们不能压成液体,就更加坚挺。等到水温度超过沸点气化时,水蒸气就可以和这些气泡合流,形成更大的气泡,一举跨过小气泡的界限,从而在很低的温度,比如情况一或情况2时就向上飘,边飘边带走路上气化的水蒸气。这就不会暴沸了。
家里用水壶加热瓶装纯净水,为什么不会暴沸呢?时因为家里的瓶装纯净水一般都是RO水,这玩意本来就是加压制造的,里面因为生产过程压强大的原因,溶有很多的空气,在加热时,底部就会出现“蟹目”样气泡,从而成了气化中心。如果用家里的哇哈哈纯净水,加热至沸腾,然后放凉,再加热,就有可能观察到暴沸现象。当人即使这样也不容观察到暴沸,因为家里烧水的器具普遍不够干净,到处是气化中心。
而真正的实验室里,加热水出现暴沸的现象已经不是问题了,因为现在的化学实验室已经不烧开水啦!
而且就算是烧开水,我们也会在容器里加上电磁搅拌子,这玩意随时旋转,在接近沸点时,它的旋转运动总是会拉出一个个的气泡作为气化中心,真正做到了我让你在这里气化,你就只能在这里给我气化。
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