沸腾现象的分析

沸腾现象的分析

【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。

【关键词】气泡

沸腾

饱和蒸汽压

过热

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。

< br>

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

p

饱之和。

p a

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

< br>ρ

gh

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，

ρ

gh

减小，而

增大，所以

r

减小，并且两者都远小于大气

压< /p>

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

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

ρ

gh

，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

ρ

gh

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