吸熱是沸騰的條件嗎？

劉旭　張泊　張子碩

摘 要：傳統(tǒng)初中物理教學中，認為液體沸騰需要滿足兩個條件，即達到沸點和持續(xù)吸熱，但在解釋重新沸騰實驗時會遇到困難。分別從實驗和微觀機制兩個角度，論述吸熱并非沸騰的條件，而是沸騰導致的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：沸騰條件;重新沸騰實驗;吸熱;邏輯先后

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）6-0062-3

1? ? 重新沸騰實驗引發(fā)的問題

傳統(tǒng)初中物理教學中，認為液體沸騰需要滿足兩個條件，即達到沸點和持續(xù)吸熱。但在水重新沸騰實驗中，卻很難用這兩個條件進行解釋。水重新沸騰實驗原本是一個用來演示沸點變化的實驗，將水加熱至沸騰后，撤去熱源，發(fā)現(xiàn)水停止沸騰，通過抽氣或澆冷水的方法降低容器中水的沸點至水溫以下，便可觀察到容器中的水重新沸騰起來，如圖1所示。毫無疑問，水重新沸騰實驗中，水已經(jīng)達到了沸點，但是水是否持續(xù)吸熱了？

“吸熱是沸騰的條件”這種表述本身就比較模糊，并未顯示出誰吸收了誰的熱量。演示水重新沸騰實驗之前，學生所理解的“吸熱”一般指液體從外部熱源吸收熱量。而為了使水重新沸騰的實驗現(xiàn)象和沸騰條件相符，只能認為水從自身吸收了熱量，即容器中的一部分水吸收了另一部分水的熱量，從而沸騰了。那么，水又是如何從自身吸收熱量的呢？

部分教師認為，水從自身吸收熱量是因為水的內(nèi)部存在溫差。的確，絕熱是一種理想情況，現(xiàn)實中由于液體和外界之間存在著熱傳遞，液體內(nèi)部就必然會存在溫差。但如果我們承認了液體內(nèi)部存在溫差是一種必然的情形，就會導致“液體沸騰需要吸熱”不可被證偽，從科學哲學的角度來看，已然不能稱之為一種科學規(guī)律。另外，如果把一種必然存在的情形稱為條件，那么“液體中存在分子”是否也會被認為是沸騰的條件呢？

水重新沸騰實驗引發(fā)了一系列問題，迫使教師不停地對知識內(nèi)容作出補充與修正。另外，沸騰條件在解釋暴沸現(xiàn)象時也會面臨同樣的困難。筆者認為，其中的根本原因在于沸騰條件的表述存在問題，“吸熱”能否稱為沸騰的條件有待商榷。

2? ? 對傳統(tǒng)實驗依據(jù)的質(zhì)疑

傳統(tǒng)教學中，教師為了說明持續(xù)吸熱是沸騰的條件之一，一般會補充演示實驗作為證據(jù)，筆者查閱相關(guān)資料，總結(jié)出作為證據(jù)的實驗方案共有兩種。

一種方案是將水加熱至沸騰后，撤去熱源，發(fā)現(xiàn)水停止沸騰，于是說明沸騰需要持續(xù)吸熱。這種方案撤去熱源后水溫自然會下降至沸點以下，并未滿足達到沸點的條件，無法說明水停止沸騰是因為沒有吸熱還是因為沒有達到沸點。

另一種方案如圖2所示，利用沸水浴對盛有水的容器進行加熱。許多教師認為，經(jīng)過一定時間可以將小容器中水的溫度加熱至沸點，卻觀察不到沸騰現(xiàn)象，原因是小容器內(nèi)外無溫差就無法繼續(xù)吸收熱量，于是說明了水沸騰需要持續(xù)吸熱。但筆者重復了該實驗，發(fā)現(xiàn)小容器中的水無法被加熱至與沸水浴同溫[1]。假設小容器不向外界放出熱量，小容器中水溫越高，就越不容易從外部沸水浴中吸收熱量，必須經(jīng)過無限長的時間才能用沸水浴將小容器中的水加熱至沸點。實際情況中小容器還在向外界放出熱量，利用沸水浴把小容器中的水加熱至沸點就更不可能了。將小容器密閉完全浸沒在沸水浴中是一種減少散熱的方法，但密閉的容器又會導致內(nèi)部水的沸點不可控。因此，這種方案無法呈現(xiàn)出一種可以將水加熱至沸點而不再吸熱的臨界狀態(tài)[2]。

可見，傳統(tǒng)教學中證明持續(xù)吸熱是沸騰條件的實驗都是無效的。如果達到沸點和持續(xù)吸熱是液體沸騰的兩個條件，就應該存在達到沸點但不吸熱導致液體無法沸騰的情形，如上文所述，這種臨界的情形在現(xiàn)實中卻無法呈現(xiàn)。如果液體達到沸點時總會伴隨著沸騰（事實上的實驗結(jié)果也是如此），那么我們就可以認為達到沸點是液體沸騰的充分必要條件，此時再額外增加其他條件就是冗余的。

3? ? 沸騰的產(chǎn)生機制

還有部分教師從命題邏輯的角度進行分析，“液體沸騰，一定伴隨著吸熱”，其逆否命題為“不吸熱，液體就不會沸騰”，從而得出吸熱是沸騰的條件之一。然而，物理規(guī)律存在邏輯的先后，命題邏輯是無法區(qū)分邏輯先后的，因而命題邏輯無法分析得出產(chǎn)生物理現(xiàn)象的條件，即無法區(qū)分吸熱是沸騰的前提條件，還是沸騰所引起的現(xiàn)象。為了說明吸熱是沸騰的條件還是結(jié)果，我們需要了解沸騰現(xiàn)象產(chǎn)生的機制。

一般液體內(nèi)部和器壁上存在微觀的小氣泡，即汽化核。液體中分子不停地做無規(guī)則運動，就會有一部分液體分子進入氣泡中。但由于氣泡外界壓強的作用，最終單位時間內(nèi)進入氣泡的分子數(shù)會等于返回液體的分子數(shù)，氣泡維持著平衡。當氣泡內(nèi)部的飽和蒸氣壓與氣泡外液體壓強相等時，氣泡便不能再維持平衡，從而脹大浮出液面并將蒸氣釋放到空氣之中，就出現(xiàn)了沸騰現(xiàn)象。液體中分子由于無規(guī)則運動進入氣泡中，克服分子的引力做功，分子動能減小。想要溫度保持不變，就需要從外界補充能量，如果不從外界補充能量，溫度就會降低——這便是常說的吸熱[3]。

從沸騰的產(chǎn)生機制中可以看出，吸熱的邏輯順序在沸騰之后。而且液體中的分子進入小氣泡的過程在沸騰前就已經(jīng)存在，只不過達到沸點前氣泡不能繼續(xù)脹大。達到沸點后，氣泡得以繼續(xù)脹大并將蒸氣釋放到空氣之中，從而出現(xiàn)了持續(xù)吸熱的現(xiàn)象。所以，沸騰并非吸熱導致的，而應理解為液體一直存在沸騰的趨勢，而這種趨勢被壓強的作用“阻礙”了，達到沸點時，“阻礙”得以消除。

4? ? 沸騰條件的表述

綜上，本文關(guān)于沸騰的邏輯順序觀點如圖3所示，達到沸點在沸騰的邏輯之前，吸熱在沸騰的邏輯之后。所以，吸熱并非沸騰的條件，而是沸騰導致的結(jié)果。在不考慮汽化核這個條件時，液體沸騰的條件只是溫度達到沸點。

液體達到沸點時就會沸騰，如果沒有外界能量的補充，沸騰的直接結(jié)果就是液體溫度降低，當液體溫度低于沸點時，沸騰停止。在重新沸騰實驗中，因為液體溫度高于沸點，所以在降溫過程中可以持續(xù)沸騰一段時間，向過熱液體中加入汽化核產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象也是同樣的道理。液體溫度不高于沸點時，想使液體持續(xù)沸騰，就需要外界能量的補充。所以，傳統(tǒng)教學中的沸騰條件“達到沸點和持續(xù)吸熱”只是一種基于常見現(xiàn)象的樸素的認識。另外，“外界能量的補充”可以指液體從外界吸收熱量，也可以指外界對液體做功。

在物理規(guī)律的表述中，不同的措辭也會體現(xiàn)邏輯先后之分。例如“沸騰需要吸熱”，“需要”一詞便體現(xiàn)出吸熱是沸騰的條件之一，邏輯上吸熱在前，沸騰在后;如果表述為“沸騰導致吸熱”，“導致”一詞則體現(xiàn)出吸熱是沸騰的結(jié)果之一，邏輯上沸騰在前，吸熱在后;而另一種表述“沸騰伴隨吸熱”，“伴隨”一詞只是對現(xiàn)象進行描述，并不體現(xiàn)邏輯先后順序。因此，筆者認為“沸騰需要吸熱”的說法也是欠妥的，應該表述為“沸騰導致吸熱”或“沸騰伴隨吸熱”。

另外，因為蒸發(fā)和沸騰在微觀機制上并無本質(zhì)區(qū)別[3]，所以本文觀點也適用于蒸發(fā)的相關(guān)表述。

參考文獻：

[1]劉旭.“探究水的沸騰”實驗：反思與重構(gòu)[J].物理教師，2021，42（9）：59-60.

[2]任少鐸.初中物理物態(tài)變化教學中幾處根深蒂固錯誤的分析[J].物理教學，2021，43（5）：44-45.

[3]李椿，章立源，錢尚武.熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

（欄目編輯? ? 蔣小平）