關(guān)于水沸騰現(xiàn)象的分析討論

韓文娟+肖心舉

摘 要： 本文以水沸騰過程中的氣泡為研究對象，從氣泡產(chǎn)生、衰亡及氣泡作為汽化核的作用進(jìn)行討論，接著結(jié)合氣泡中的幾個壓強(qiáng)分析水的沸騰過程，得出水沸騰的條件：氣泡內(nèi)的飽和蒸汽壓與外界壓強(qiáng)相等。

關(guān)鍵詞：相變 沸騰 飽和蒸汽壓 彎曲表面的附加壓強(qiáng) 過熱液體

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）03-0281-01

一、引言

沸騰是液體在一定溫度（沸點(diǎn)）下才能發(fā)生的汽化現(xiàn)象，屬于一級相變，發(fā)生時有體積變化同時要吸收熱量。微觀上看，它是分子熱運(yùn)動劇烈到足夠掙脫范德瓦爾茲力的束縛成為“自由”的氣體分子的過程，沸騰時液體表面和內(nèi)部同時發(fā)生汽化，會更大程度的降低液體能量。當(dāng)液體（水）發(fā)生沸騰時，液體內(nèi)部不斷冒出氣泡，升至水面，然后破裂。生活中看起來很形象，但教學(xué)中學(xué)生理解起來較為抽象困難，所以本文就以水沸騰過程中的氣泡為研究對象，從氣泡產(chǎn)生、衰亡及氣泡作為汽化核[1]的作用進(jìn)行討論，并結(jié)合氣泡中的幾個壓強(qiáng)簡化分析沸騰過程。

二、水沸騰現(xiàn)象解釋

1.汽化核及其作用

1.1汽化核

沸騰中單個氣泡的生命周期可概括分為1）汽核生成；2）初期長大；3）中期長大；4）終止期長大；5）可能的萎縮幾個階段：汽核生成是在分子等級上一個剛剛超過熱力平衡的小氣泡（核）的形成過程。汽核生成以后，初期長大受到慣性效應(yīng)和表面張力效應(yīng)的支配。開始時氣泡長大的速率很小，但隨著氣泡尺寸的增大，由于表面張力的作用，而使長大速率增大，在加速長大的中期長大階段，傳熱的影響變得越來越大，而慣性力的影響開始減小，當(dāng)長大過程到達(dá)終止期，它受周圍液體傳熱所支配，這加劇了氣泡交界面的蒸發(fā)，如果氣泡在長大過程中碰到冰冷液體就會萎縮，氣泡萎縮過程中起支配作用的諸現(xiàn)象與長大過程基本相逆。要使汽核生成或者一個汽核存活下去，基本條件是液體要過熱。有兩種成核的形式：一種是在純液體中形成的汽核，它可以是由液體分子的熱力波動所產(chǎn)生的高能量分子群，或者由于局部壓力降低（如流體加速運(yùn)動中出現(xiàn)的）而造成的汽穴。另一種是在異物上形成的氣泡，可以是加熱壁面上一個凹坑或者表面未濕潤的懸浮物。

1.2 汽化核的作用

沸騰時，液體內(nèi)部和器壁上的小氣泡起著所謂汽化核的作用，它使周圍液體在其中汽化，久經(jīng)煮沸的液體，因?yàn)槿狈馀葑鳛槠?，所以加熱到沸點(diǎn)以上還不沸騰，這種液體稱為過熱液體。過熱液體不穩(wěn)定，如果偶然有一粒沙子被投入，就引進(jìn)了汽化核。隨著液體汽化的開始，液體被擾動，更多的汽化核產(chǎn)生，突然發(fā)生沸騰，原來過高的溫度降到沸點(diǎn)，液體釋放出大量的熱促使汽化更加猛烈，引起暴沸。為了避免暴沸[2]，鍋爐或燒瓶中的水在加熱前，應(yīng)加進(jìn)一些溶有空氣的水或者放進(jìn)一些吸附有空氣的陶瓷片等以提供汽化核。

2.氣泡

一般來說，液體的內(nèi)部和器壁的空隙之中都含有大量的空氣，這些空氣在液體中形成許多微小的氣泡[3]，氣泡由于液體表面張力的作用而成球形，氣泡內(nèi)部的蒸汽由于液體不斷蒸發(fā)，總是處于飽和狀態(tài)，當(dāng)把液體加熱時，泡內(nèi)空氣的壓強(qiáng)不斷增大，加上液體和汽泡分界面上，液體不斷向泡內(nèi)蒸發(fā)，泡內(nèi)蒸汽的飽和蒸汽壓也不斷加大，結(jié)果使氣泡的體積不斷脹大，起初附在容器壁以及雜質(zhì)顆粒上的氣泡，隨著溫度的升高體積不斷脹大，直到氣泡所受的浮力大于氣泡與器壁或雜質(zhì)顆粒的附著力時，氣泡便離開器壁或雜質(zhì)顆粒上浮。沸騰開始前一段時間，容器壁上會出現(xiàn)小氣泡，而不出現(xiàn)在液體中，這是因?yàn)榧訜岬倪^程是通過器壁傳熱的，靠近器壁的液體溫度上升得比中間液體快，在器壁上形成氣泡比中間早，而由于有附著力向下，當(dāng)氣泡體積還不夠大的時候，受到的浮力小于向下的附著力，氣泡只好貼在容器表面。