【题】在相同的条件下,生水和凉白开哪一个沸腾得更快?
【解】这个问题在研究者中引起了广泛而激烈的讨论。有很多人认为:肯定是凉白开会更快地沸腾。因为这些水已经沸腾过了——他们给出的是这样的理由。但是这个理由不但幼稚,而且还没有任何意义。从某种程度上来说,世界上没有一滴水从来没有沸腾过——它们都曾经是气态。
事实上,因为生水里溶入的空气更多,所以生水会沸腾得更快一些。下面我们就为什么空气的存在会加快沸腾的现象详细地解释一下。
在对液体加热的过程中,沸腾与蒸发作用的不同就在于沸腾是要产生气泡的。这只是在当蒸汽压达到不小于表面大气压的大小时(这部分大气压将根据帕斯卡定律内向传播)才成为可能。在100℃的时候我们知道水蒸气是饱和的,这时水蒸气压就与大气压相等。但是这也只是针对水平面空间上的饱和蒸汽的情况来说的。相比水平面附近相同温度下的大气压来说,水内部形成的气泡里的饱和蒸汽压应当是比它小的。此外跑出的蒸汽分子很容易就被液体凹表面所产生的附加压“压回”到水里。也就是说,相比较来说,什么时候气泡内部所获得的“自由”的蒸汽分子数量会很小呢?就是在每秒钟内获得的“自由”分子等于被“压回”的分子数的情况下。一定温度下,一定空间里蒸汽分子的最大数量——此时气体的压强最大,这就是饱和的含义。现在我们已知相比水表面上的气压(这个气压等于大气压)来说,内部气泡的最大压强是小于它的。蒸汽的最大压强会随着水面的凹度越大,气泡的半径越小而越小。举例来说,半径0.01微米的气泡里,在100℃时候饱和蒸汽的压强是705毫米汞柱,而不是760毫米汞柱。
通过上面可知,一般来说,水的沸腾温度相比理论上的100℃,会在更高一点的温度上。换言之,沸腾的产生就是在水蒸气产生了更高的压强,并使其与大气压相等的时候。水在开过以后,会将内部的蒸汽全部赶走。因此,它的沸腾就会开始得很晚;但是它一旦开始了就会很快很猛烈地进行着;析出大量蒸汽并且由于汽化中热量消耗的增强而快速地将水引至沸腾的标准温度,即100℃。
然而,生水——溶有大量的空气就不是这样。由于温度的升高和饱和度的降低,溶解在水中的各种气体就会减小。随着水的加热,过剩的空气会以气泡的方式分离出来。在加热的过程中,生水中首先出现的气泡是空气而不是水蒸气。随之,水蒸气分子开始从内部涌出获得“自由”。要知道,饱和蒸汽压在最为细小的气泡里会特别低,这使得最小的蒸汽气泡首先在水中出现变得很难。然而当产生这段气泡的困难度过后——即无论如何当气泡还是出现以后,随之在气泡里面形成蒸汽的过程就会容易得多了。进而气泡会快速地冒出来。这就对为什么含有很多空气的生水不会像开过的水那样沸腾得很慢进行了解释。
由于空气可以从水里分离出来,在标准大气压下麦克斯韦曾成功地将水加热到180℃。还可以采用更为精确的分离空气的方法将水加热到更高的温度,从而使它继续保持液体状态。“还没有人看到过不包含任何空气的水进行过‘纯净的沸腾’。”——物理学家格劳夫曾这样说过。