沸腾

贡献者： _Eden_

　　沸腾是在液体表面及液体内部同时发生的剧烈的汽化现象。

　　我们用水壶烧水时将看到几个不同的阶段。烧到一定程度，可以在水壶底看到一些小气泡积聚在水壶底部。一些小气泡可能会脱离底部上升，但在上升过程中会越来越小直至消失。再过一段时间，一些气泡能够到达液面变成很小的空气气泡而破裂，此时能听到 “吱吱” 的声音。再后来，气泡在上升的过程中不断增大而冒出液面，整个液体呈现上下翻滚的剧烈汽化状态，这就是沸腾现象。

图 1：附在容器底部的气泡

　　要解释沸腾现象，我们需要借助一定热学知识。小气泡的产生原因是：空气在水中的溶解度随水温升高而降低，温度较高的下层水的部分空气分子首先脱溶，容易在器壁的微孔处形成气泡，所以一般气泡会先积聚在底部。由于气泡依附于微孔（有时也依附于液体中的杂质颗粒），这些气泡一般较大（尺度远大于分子尺度），这是液体不会发生过热暴沸的关键。

　　气泡要经历一个过程才能脱离容器底部向上浮：图 1 的 (a) 中气泡逐渐增大到 (b)，此时气泡虽受浮力作用，但气泡颈处有表面张力与浮力抗衡；当气泡大到一定程度后则上浮，如图 (c)。

　　现在设液体内部一个半径为 $r$ 的气泡距表面距离为 $h$，附在容器底部。设大气压强为 $p_0$，液体的密度为 $\rho$，则在这个深度上液体压强为

\begin{equation} p_0+\rho gh ~, \end{equation}

再由液体表面张力的拉普拉斯公式（式 10 ），气泡内气压为

\begin{equation} p=p_0+\frac{2\sigma}{r}+\rho gh~. \end{equation}

　　 气泡内气体可分为两部分：从液体中脱溶的空气、液体蒸汽。设空气分子摩尔数为 $\nu$，根据理想气体状态方程（式 1 ），空气的分压为 $\nu RT/V$。根据饱和蒸气压方程（式 6 ），气泡内液体蒸汽的分压为 $p_r=A-B/T$（其中 $A,B$ 是依赖于系统的常数。实际上 $p_r$ 还与气泡半径 $r$ 有关，这里由于气泡较大而忽略不计）。我们可以将前面的式 2 改写为（通常 $\rho gh\ll p_0$，所以略去该项）

\begin{equation} \frac{\nu RT}{V}+p_r=p_0+\frac{2\sigma}{r}~. \end{equation}

　　随着温度的增大，饱和蒸气压 $p_r$ 也增大，上式左侧（泡内）压强将大于右侧压强，所以气泡会胀大。但是在胀大的同时，左侧的 $\nu RT/V$ 又会减小¹，达到一个平衡。在水加热的过程中，当气泡脱离容器壁上升时，由于液体温度随深度的减小而降低，$p_r=A-B/T$ 会减小，所以 $V$ 会减小，直到消失。加热到一定程度后，气泡能够在消失之前到达液面，这时就能听到吱吱的声音。当液体逐渐加热到饱和蒸气压等于大气压强时（即 $p_r=p_0$）。此时，液体上下温度差一般不大，气泡上升时 $p_r$ 的变化可以忽略，从式 3 可以看出，气泡内压强将始终大于泡外压强。因此气泡将不断扩大²。

　　通常人们简单地认为，沸点就是液体饱和蒸气压等于液体上方气体压强时的液体温度。饱和蒸气压随液体温度的升高而升高，所以沸点也随温度的升高而升高。需要说明的是，在上面的物理解释中，气泡的产生依赖于容器器壁上的微孔、水中的颗粒物或溶于水中的空气。所以液体发生正常沸腾的条件是，这些微孔或颗粒提供了足够的小气泡，从而起到汽化核的作用。外界的干扰可以使液体分子间互相推动产生一些局部的极小气泡，但其尺度只是数倍于分子半径，根本无法继续增大。如果缺乏汽化核，液体加热到沸点仍无法沸腾，从而继续升温，这种液体称为过热液体。由于过热液体温度已高于沸点，饱和蒸气压也随之增大；当极小气泡内的饱和蒸气压 $p_r$ 大于液体上方的气体压强时，气泡将扩大，而随着半径的增大 $p_r$ 又继续增大³。这样就使气泡迅速膨胀，甚至发生爆炸。这就是暴沸现象。为了防止暴沸现象，实验中常加入沸石或加入一些溶有空气的新水等。

1. ^ $2\sigma/r$ 也会减小，但其变化幅度不如 $\nu RT/V$ 的变化大
2. ^ 当然，由于这个过程中 $\nu RT/V$ 的减小，气泡不会无限制地扩大），从而导致了沸腾现象
3. ^ 见弯曲液面的饱和蒸气压张力公式