沸騰中的秘密

文　瀾

純物質(zhì)都有一定的蒸汽壓，溫度越高，蒸汽壓力越大，例如水在攝氏25度的室溫下，它的蒸汽壓相當(dāng)于23.8毫米汞柱（mmHg）產(chǎn)生的壓力為23.8托爾（torr），而沸騰就是發(fā)生在蒸汽壓等于外在大氣壓的時(shí)候。蒸發(fā)和沸騰不一樣，最顯著的差異就是前者只有液面的分子變?yōu)闅鈶B(tài)，肉眼是看不見(jiàn)的，沸騰則大都可以看到汽泡由下往上升。

沸騰過(guò)程

廚房用的水壺大都是不透明的，看不到水的沸騰，為了觀察水的沸騰過(guò)程，就得在實(shí)驗(yàn)室使用玻璃燒杯。當(dāng)燒杯的水溫上升時(shí)，首先觀察到的就是溶在水中的空氣開(kāi)始在杯底的一些位置成核，形成小氣泡，然后成長(zhǎng)。小氣泡逐漸長(zhǎng)大而緩緩上升，并可能在途中和其他小氣泡結(jié)合成大氣泡，終于到達(dá)水面而破裂。

在正常的一個(gè)大氣壓下，當(dāng)水溫到達(dá)攝氏100度時(shí)，水面的蒸汽壓相等于大氣壓，即學(xué)理上所稱的正常沸點(diǎn)，這時(shí)我們并沒(méi)有觀察到煮開(kāi)水的氣泡激烈翻騰。沸騰并非一定要在攝氏100度下發(fā)生，實(shí)際上當(dāng)外在壓力低于一個(gè)大氣壓時(shí)，在不到攝氏100度下，水的蒸汽壓就可以達(dá)到外在的壓力而沸騰。因此在高山上空氣不到一個(gè)大氣壓，水雖沸騰了，但水溫低于攝氏100度，米也不易煮熟。

外在的大氣雖然是一個(gè)大氣壓，但加上水的壓力卻使杯底的水壓大于一個(gè)大氣壓，攝氏100度的溫度并不足以使其沸騰，即使在略高于攝氏100度之下仍不沸騰，這時(shí)的水是處在過(guò)熱狀態(tài)。當(dāng)溫度逐漸上升，杯底的溫度超過(guò)攝氏100度時(shí)，水的氣泡就如同上述溶于水中的空氣，小氣泡逐漸長(zhǎng)大而緩緩上升，并在途中和其他小氣泡結(jié)合成大氣泡。這種氣泡在上升的過(guò)程中，因上層的水溫較低，氣泡會(huì)被凝結(jié)成水，產(chǎn)生內(nèi)爆的現(xiàn)象。

由于氣泡凝結(jié)成水是一種放熱反應(yīng)，再加上水的對(duì)流，上層的水溫也因而提升，終使壺中的水達(dá)到均勻的溫度。逐漸地，杯底或壺底的氣泡不會(huì)在途中因凝結(jié)而成水，這些氣泡可以一路無(wú)阻地上升到水面，終于看到水開(kāi)了。溫度再稍微升高，產(chǎn)生氣泡的速率更快。在到達(dá)水面的過(guò)程中，氣泡直線排隊(duì)悠悠而上，聲音也更為響亮。

炒好菜需要膜沸騰

上述的現(xiàn)象稱為核沸騰，如果只是煮開(kāi)水，故事到這就可以結(jié)束了。再下去的實(shí)驗(yàn)漸漸具有危險(xiǎn)性，玻璃燒杯或廚房的水壺都不再適用，實(shí)驗(yàn)必須在有防護(hù)的情況下進(jìn)行。溫度的繼續(xù)上升使壺底充滿了蒸汽，它存在于壺底和水相之間，厚度僅約0.1-0.2毫米，因此稱為膜沸騰。蒸汽的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)比液體差，水溫的上升于是變得很慢，因此水的加熱須依賴壺底的輻射作用。

這種壺底充滿蒸汽的現(xiàn)象，不易在煮開(kāi)水的過(guò)程中觀察到，但在廚房烹炒時(shí)是可以看到的。中國(guó)料理為了保留菜肴的口感及原味，往往需要熱炒，那么廚師如何知道鍋?zhàn)拥挠鸵呀?jīng)夠熱了呢？一般的做法是看到油開(kāi)始冒煙就知道油已經(jīng)很熱了，當(dāng)溫度高過(guò)所謂的冒煙點(diǎn)后，表示油已經(jīng)開(kāi)始裂解，這對(duì)人體的健康和敏感的口味都不是一件好事。常用植物油的冒煙點(diǎn)約在攝氏210-250度之間，而動(dòng)物油則在攝氏190度左右，油炸的溫度則在攝氏180-190度之間。

好的廚師憑經(jīng)驗(yàn)即可判斷鍋的熱度，但也可以先灑一點(diǎn)水在鍋中，如果還不夠熱，水會(huì)擴(kuò)散在鍋面上，熱量會(huì)很快傳至水滴而使它蒸發(fā)。如果鍋夠熱，部分水滴瞬間蒸發(fā)，于是在水滴和鍋面之間產(chǎn)生一層蒸汽，由于它們之間的傳熱變差，水滴可以存活一段時(shí)間，因而在鍋內(nèi)激烈跳躍，維持?jǐn)?shù)秒鐘或更久。這時(shí)廚師就知道鍋已經(jīng)夠熱，可以進(jìn)行菜肴的烹調(diào)了。

為了更具體地探索這種現(xiàn)象，可以使用一毛細(xì)管來(lái)控制水滴，經(jīng)由毛細(xì)管的水滴有一定的大小。觀察的方法是把這些水滴落在一加熱的熱盤(pán)上，然后測(cè)量水滴消失的時(shí)間。在熱盤(pán)溫度低于攝氏約150度時(shí)，水滴很快地潤(rùn)濕熱盤(pán)并迅速消失，它在熱盤(pán)上存活的時(shí)間隨溫度的升高而縮短。但熱盤(pán)的溫度超過(guò)攝氏約200度時(shí)，水滴開(kāi)始在熱盤(pán)上跳躍，它存活的時(shí)間反而隨溫度的上升而更長(zhǎng)久。當(dāng)熱盤(pán)的溫度上升到約攝氏220度時(shí)，水滴的存活時(shí)間達(dá)到巔峰，但視水滴的大小而有差異。這時(shí)若溫度繼續(xù)上升，水滴存活的時(shí)間又會(huì)慢慢地縮短。

萊登弗斯特的實(shí)驗(yàn)

煮開(kāi)水既然是一件日常生活瑣事，但科學(xué)家的好奇心，使勃哈（H. Boerhaave）早在1732年就在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水滴在高溫下反而可以存活更久的奇怪現(xiàn)象，只是不知其所以然。1756年萊登弗斯特（J.G. Leidenfrost）做出更具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他把鐵湯匙在火爐上加熱至紅熱，然后把水滴在其上。第一滴水可以存活約30秒，但紅熱的湯匙也因散熱而變暗。第二滴水存活約10秒，第三滴水存活得更短，直至水滴只能潤(rùn)濕湯匙而且快速消失。

當(dāng)時(shí)萊登弗斯特并沒(méi)有注意到當(dāng)水滴落在紅熱的湯匙上時(shí)，二者之間產(chǎn)生一個(gè)蒸汽的阻隔層，但后人為了感念他的實(shí)驗(yàn)觀察，就把水滴在熱盤(pán)上存活最久的溫度，稱為萊登弗斯特溫度（Leidenfrost point）。

早在20世紀(jì)初，歐洲有一演藝團(tuán)的驚人表演，表演者把手指伸入熔化的鉛爐，大家驚訝地發(fā)現(xiàn)他既不疼痛也沒(méi)受傷。如果爐中不是水銀而確是熔化的鉛，推想這位膽大的藝人必先把手潤(rùn)濕或因緊張而手流冷汗，由于水的急速蒸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)氣體阻隔層，使高溫熔化的鉛不易傳熱至他的手指。在這種情況下，手指可以插入熔化的鉛爐很短的時(shí)間而不致受傷。

不過(guò)你可別用自己的手指做實(shí)驗(yàn)，太危險(xiǎn)了，香腸是一個(gè)理想的替代品。干的香腸置入熔化的鉛爐時(shí)，表皮很快就被燒焦，但潤(rùn)濕的香腸則不是。

實(shí)驗(yàn)室里常用液態(tài)氮來(lái)冷卻，在這個(gè)過(guò)程中，常由于急速沸騰而四處濺散，這時(shí)往往會(huì)濺在手上。照常理想像，手一定會(huì)被攝氏零下196度的液態(tài)氮凍傷，但常常是毫發(fā)未傷。這又是萊登弗斯特現(xiàn)象的另一種實(shí)證，就好像水滴落在熱盤(pán)上一樣。

很多廟會(huì)或宗教的狂熱慶典中，常見(jiàn)的高潮項(xiàng)目之一就是赤腳跳炭火，稱為過(guò)火。過(guò)火的方式是由乩童導(dǎo)引抬轎者，繞著用金紙或木炭堆積的火堆數(shù)圈，接著依序跳過(guò)火堆，一邊過(guò)火、一邊有人在旁灑鹽粒以降低火的溫度。其中一個(gè)可能的原因也許是，過(guò)火時(shí)，抬轎者必然已滿頭大汗，腳底也潮濕了，熱火使腳底的水分迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生一層隔熱的氣體薄層，這又是另一種萊登弗斯特現(xiàn)象的實(shí)證。

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