在水温接近沸点时，有大量的气泡迅速由小变大、又由大变小，从而使水剧烈的振荡，并且这种振荡的频率还可以与烧水容器的固有频率相同而产生共振现象，这时人们就会听到“嘶嘶”的响声。在水沸腾时，气泡的体积一直是增大的，不会发生由小变大再变小的振荡过程，因此，水的响声很小甚至听不到，这就是“响水不开，开水不响”的道理

沸腾现象的分析

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来源：学园 2012年第5期发布日期： 2012-04-30发布： www.xzbu.com 



   《学园》杂志2012年第5期目录      本期共收录文章153篇


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沸腾现象的分析
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 　　【摘 要】液体的沸腾现象在生活中常见，但很多人不清楚其本质。本文从力学平衡和相变平衡的角度阐述了液体在沸腾前后发生的物理现象的本质原因，使人们对沸腾现象有更深的理解。
中国论文网 http://www.xzbu.com/9/view-1710478.htm
　　【关键词】气泡 沸腾 饱和蒸汽压 过热
　　【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674－4810（2012）05－0130－02
　　
　　液体沸腾过程中有许多现象伴随发生，对这些现象人们往往产生疑问。为此，下面以水为例，对液体沸腾过程中的几种现象产生的原因进行分析。
　　一 沸腾前水内的气泡是怎样产生的
　　对容器中的水加热，首先看到容器底部和内壁上出现许多小气泡。这些小气泡主要是由溶解于水中的空气产生的。根据化学知识，空气对水的溶解度随温度升高而减小，因此当对容器中的水加热时，靠近底部和器壁的水首先受热，使溶于其中的空气分子析出而形成小气泡。空气溶于水要达到饱和是一个很缓慢的过程，刚冷到室温的开水，其中溶解的空气还很少，远没有达到饱和，因此，冷开水开始加热时很少有小气泡产生。
　　小气泡产生的另一原因是容器壁上和水内杂质的表面上吸附着少量空气，而它们对空气的吸附量随温度的升高而减少，当水温升高时，吸附的这些空气也会形成气泡。
　　二 沸腾前气泡在上升过程中体积越来越小的原因
　　在水沸腾前，由于下层水通过容器底直接与火焰接触，而上层水未直接与火焰接触，同时水是热的不良导体，而水的对流又较缓慢，所以此时下层水温高、上层水温低。在气泡上升的过程中，泡内空气的压强Pa随水温的降低而减小，泡内一部分水蒸气因温度降低而凝结成水，这都将导致气泡体积减小。但气泡体积减小的根本原因是气泡上升的过程中泡外压强大于泡内压强。泡内压强P内为泡内空气的压强Pa与饱和汽压P饱之和。Pa与P饱都随温度的降低而减小，所以P内在气泡上升中是减小的。而泡外压强为大气压P0，水的静止
　　压强ρgh与气泡的表面张力引起的附加压强 压强（α为水
　　的表面张力系数，R为气泡的半径）之和，在气泡上升时，
　　ρgh减小，而 增大，所以R减小，并且两者都远小于大气
　　压P0，所以可以认为气泡上升时泡外压强P外大小不变。这样，P内＜P外，于是，气泡体积越来越小。
　　三 沸腾时气泡在上升过程中体积越来越大的原因
　　对水继续加热时，由于对流和气泡不断地将热量带到中上层，使整个容器内的水温趋于一致。这时，气泡在上升过程中其内部的饱和汽将不会凝结，饱和汽压P饱与泡内空气压强Pa不变，因而泡内压强P内不变，而水的静止压强ρgh，则随水的深度的变小而减小。这样，泡内压强将大于泡外压强，
　　使气泡体积增大，而气泡体积的增大又引起附加压强 的减
　　小，使泡外压强进一步减小。于是气泡在上升过程中体积越来越大，直到水面破裂。
　　四 为什么“响水不开，开水不响”
　　在对水加热的整个过程中，气泡在脱离容器底部或器壁之前，其体积总是越来越大。气泡在开始形成时，由于其体积小，所受浮力小于器壁的附着力，因此气泡不能离开器壁而上升。当对水加热时，气泡温度逐渐升高，气泡内饱和汽的压强P饱增大（原因是随着水温升高，水分子运动加剧，使单位时间内不仅跑出液面进入气泡的分子个数增多，而且进入气泡的分子的平均速率也增大），气泡内空气的压强Pa也增大，而水面上方的大气压P0和水的静止压强ρgh基本不变，这样，气泡内的压强大于气泡外的压强，因此气泡的体积越来越大。当气泡的体积增大到一定程度、气泡所受的浮力大于器壁的附着力时，气泡便脱离器壁而上升。
　　可见，在水沸腾之前，气泡的体积要经过一个由小变大（在气泡脱离器壁之前），又由大变小（在气泡上升中）的过程。在水温接近沸点时，有大量的气泡迅速由小变大、又由大变小，从而使水剧烈的振荡，并且这种振荡的频率还可以与烧水容器的固有频率相同而产生共振现象，这时人们就会听到“嘶嘶”的响声。在水沸腾时，气泡的体积一直是增大的，不会发生由小变大再变小的振荡过程，因此，水的响声很小甚至听不到，这就是“响水不开，开水不响”的道理。
　　五 液体的沸点随压强的增大而升高的原因
　　由上面的分析可以看出，当外界压强增大时，P外增大。这时，必须使P内＝P饱＋Pa增大，气泡在上升时的体积才能越来越大，即液体才能沸腾。而要使P内增大，必须使液体的温度即沸点升高。因此液体的沸点随外界压强的增大而升高。例如，蒸汽锅炉里的蒸汽压强，约有几十个大气压，锅炉里的水的沸点可在200℃以上。
　　这个问题可由热学理论定量来证明。根据热学理论，液体的相变温度与相变压强之间满足“克拉伯龙―克劳修斯方程”：
　　 （1）
　　式中，L为液体的汽化潜热，T为相变温度，即沸点，V1、V2分别是气相比容和液相比容。实际上，由于气相比容V1＞液相比容V2，所以上式通常写成：
　　 （2）
　　如果将蒸汽看成理想气体，由于理想气体的状态方程
　　 ，可得 ，将此式代入（2）式，则有：
　　 ，对P和T分别积分， 可得：
　　 （3）
　　如果研究的液体是水，μ就是水的摩尔质量，记作μ水，T0和T应分别写作T0沸和T沸，代表水在标准大气压下的沸点与一般情况下的沸点水温绝对温度。由（3）式可得：
　　 （4）
　　公式（4）就是液体的沸点T沸随外界压强P变化的关系式，从此式可以看出，当外界压强增大时，液体的沸点升高。
　　六 什么情况下液体沸腾前会产生过热现象
　　液体沸腾时，液体内部有大量的气泡形成，使汽液分界面大大增加，于是整个液体剧烈汽化。在一般情况下，液体中容有空气。以这些既有的空气泡作核而形成的气泡具有足够大的半径，接近于分界面为平面的情形，只要气泡中的蒸汽压等于液体的压强，即发生沸腾。如果液体中没有现存的空气泡作核，由于涨落而形成的气泡其半径必然极小，泡内饱和气压力必然远小于外压力，因此在外压力压迫下，小气泡难于形成，致使液体不易沸腾。当达到正常沸点的温度，即饱和汽压P饱等于液体的压强P，力学平衡条件要求气泡内的蒸汽压强大于液体的压强即大于饱和汽压，而相变平衡条件又要求气泡内的蒸汽压强小于液体的压强。因此在正常沸点的温度，不能同时满足于力学平衡条件和相变平衡条件。除非液体的温度高于正常的沸点，使相应的饱和蒸汽压大于液体压强。故此，形成了过热液体。此时若加入可以引起液体沸腾的多孔物质或金属，可导致液体爆沸，若液体温度高过其沸腾温度过多，可能导致爆炸。
　　参考文献
　　［1］汪志诚.热力学•统计物理［M］.北京：高等教育出版社，2003：124
　　［2］王国昌.沸腾现象的理论分析［J］.物理通报，2000（8）
　　［3］杨梦.向气泡要能源［J］.科学大众（中学生），2007（12）
　　［4］张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3－3［M］.北京：人民教育出版社，2010
　　〔责任编辑：陈晨〕








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