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行討論，接著結(jié)合氣泡中的幾個壓強分析水的沸騰過程，得出水沸騰的條件：氣泡內(nèi)的飽和蒸汽壓與外界壓強相等。

關(guān)鍵詞：相變 沸騰 飽和蒸汽壓 彎曲表面的附加壓強 過熱液體

中圖分類號：TK124 文獻標(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）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]的作用進行討論，并結(jié)合氣泡中的幾個壓強簡化分析沸騰過程。

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，因為缺乏氣泡作為汽化核，所以加熱到沸點以上還不沸騰，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，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)加進一些溶有空氣的水或者放進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，這是因為加熱的過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。