千万 不要 用 微波炉 烧水 ！李永乐 老师 讲 过热 /过冷 液体
各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師
過年 了 先給 大家 說 壹聲 新年快樂
在 過年 的 這段 時間 也 是 各種 案件 的 高發期
所以 大家 壹定 要 註 意 防火 防盜
家裏 的 水電 煤氣 壹定 要 管好
正確 使用 各種 炊具
最近 有個 小朋友 跟 我 說 他 有 壹天 突然 想 喝茶
但是 家裏 邊 所有 的 鍋 都 占 著
於是 他 就 用 微波爐 燒水
燒了 半天 這個 水 也 不見 開
他 就 從 微波爐 裏 把 水 拿 出來 了
結果 在 拿 出來 的 時候 突然 之間 水 開始 沸騰
差點 就 燙 著 他 的 手
他 想問 我 說 為 什麼 用 微波爐 燒水 的 時候
看似 平靜 的 水面 會 突然 之間 沸騰 呢
今天 我們 來 討論 壹下 這個 問題
這個 現象 其實 叫做 暴沸 現象
它 也 是 沸騰 現象 的 壹種
那 我們 首先 來 解釋 壹下 沸騰 現象
為 了 解釋 沸騰 現象
我們 得 首先 討論 壹個 概念
叫做 飽和 蒸汽壓
什麼 意思 呢
我們 在 初中 的 時候 就學 過 沸騰
是 什麼 意思 啊
有 壹 杯水
這 杯水 它 是 有 很 多個 水分子 構成 的
水分子 無時無刻 的 往 大氣 中跑 對 吧
大氣 中 也 有 水分子 叫 水蒸氣
水蒸氣 它 也 無時無刻 的 往回 跑
那麼 如果 空氣 中 水分子 不夠
這個 水分子 汽化 就 會 占 主導
宏觀 表現 為水 減少
如果 空氣 中 水分子 比較 多
那麼 液化 就 會 占 主導
宏觀 就 表現 為水 增多
所以 在 大部分 情況 下 它 會 達到 壹種 穩態 的 平衡
就是 單位 時間 內 從 水中 跑 到 空氣 當中 的
和 從 空氣 當中 跑 回到 水中 的 差 不太多
這個 時候 我們 就 管 它 叫 水蒸氣 飽和 了
此時 水蒸氣 的 壓強 就 叫做 飽和 蒸汽壓
那 飽和 蒸汽壓 跟 溫度 的 關系 是 這樣 的
我們 畫壹 張圖
橫坐標 是 溫度 縱 坐標 是 水 的 飽和 蒸氣 壓
我們 會 發現 溫度 越高 的 時候
水 的 飽和 蒸氣 壓越 大
而且 就 在 100 攝氏度 的 時候
水 的 飽和 蒸汽壓 正好 是 壹個 標準大氣壓
我們 寫作 1atm
好 通過 這張 圖 我們 就 可以 解釋
為 什麼 會水到 100 度 就 沸騰 了
平時 這個 大氣 它 是 有 兩個 部分 的 壓強 的
壹個 部分 就是 大氣 中 空氣 的 部分
這是 主要 的 部分
裏邊 有 氧氣 氮氣 二氧化碳 的 這些 氣體
它 的 壓強 還有 壹 部分 就是 水 的 壓強
水蒸氣 的 壓強
水蒸氣 的 壓強
在 不到 100 攝氏度 的 時候
妳會 發現 水蒸氣 的 壓強 怎麼 著 啊
在 不到 100 攝氏度 的 時候
妳會 發現 這個 水蒸氣 的 飽和 蒸氣 壓
它 是 小於 大氣壓 的
所以 大氣 只要 分 過來 壹 部分 給 水蒸氣
就 能 達到 動態平衡 對 不 對
所以 這個 時候 它 就 不 沸騰 就 不 沸騰
但是 如果 溫度 超過 了 100 攝氏度
此時 妳 從 這張 圖上 就 會 發現 這個 飽和 蒸汽
水 的 飽和 蒸汽 是 大於 大氣壓 的
就是說 妳 把 全部 的 大氣壓 都給 水蒸氣
然後 也 控制 不住 水往 外 冒 對 不 對
那 既然如此 的話
水 只好 劇烈 的 汽化 就 形成 了 沸騰 現象
這就 告訴 我們 沸騰 不 沸騰
其實 是 要 看 外界 大氣壓 的
外界 大氣壓 越大 那麼 它 就 越 不 容易 沸騰
外界 大氣壓 越 小 它 就 越 容易 沸騰
因為 它 控制 不住 水分子 往外 冒 對 不 對
這也 可以 解釋 為 什麼 高壓鍋 煮 東西 比較 快
因為 高壓鍋 裏面 壓強 大
所以 它 可以 讓 水 在 很 高 的 溫度 下 也 不 沸騰
煮飯 就 比較 快 了 對 不 對
但是 高壓鍋 不能 煮 面條
有 的 小朋友 學著用 高壓鍋 煮 面條
結果 上壓 了 之後 自己 害怕 了
把 那個 鼻子 給拿 下來 了
然後 就 看 那個 面條 壹個 壹個 排好隊
從 那個 鼻子 裏邊 哧 兒哧兒 ... 都 飛出去 了 是 吧
高壓鍋 壹般 是 煮 壹些 不太好 熟 的 東西 的
我們 解釋 了 什麼 是 沸騰
那 現在 我們 就 可以 解釋 那個 微波爐 燒水
為 什麼 會 突然 之間 出現 暴沸 的 這種 情況
暴沸
就是 拿 出來 的 時候 平靜 的
然後 妳 稍微 壹振 蕩
它 突然 之間 暴沸 了
這是 為 什麼 呢
這個 原因 嘛 我們 也 畫壹個 圖
大家 看 說 這裏 有壹個 鍋 或者 水杯 什麼 的
水在 這個 鍋 裏邊
但是 水 那裏 邊 還是 其實 有壹些 氣泡
這個 氣泡 掛在 這個 底下 或者 側壁 上
因為 表面張力 的 作用 它 就 吸 在 這個 位置 了
這 就是 壹個 叫 氣泡
這個 氣泡 裏邊 實際上 是 氣體
裏邊 有 水蒸氣 可能 還有 壹些 空氣
我們 如果 把 這個 氣泡 給 放大
這個 氣泡 之所以 能夠 存在
是 因為 它 內部 有壹個 壓強 向 外頂
同時 外部 也 有 壓強 向 裏邊 頂
它 能夠 平衡
這個 時候 氣泡 就 可以 存在
這裏 面 這個 外部 壓強 其實 不僅僅 是 大氣壓
外部 壓強 是 分為 三個 部分 的
外部 壓強 等於 什麼 呢
首先 就是 大氣壓
這個 大氣壓
就是 在 這個 水面 上方 有 這個 大氣 是 吧
這個 大氣 形成 的
這是 第壹 部分 大氣壓
第二個 部分
是 由於 這個 氣泡 到 水面 有壹個 距離 叫 h 吧
由於 這個 高度 造成 了 壹個 水 的 壓強 是 吧
叫 水壓
水壓 我們 學過 初中 物理 的 同學
大家 都 知道 水壓 大小 應該 等於 ρgh 是 吧
水 的 密度 再 乘以 重力 加速度 再 乘以 高度
其實 還有 壹個 部分
還有 壹個 部分 是 什麼 呢
就是 因為 這個 水面 它 有 壹層 表面張力
表面張力 是 收縮 的
所以 它會 往 裏邊 擠
還會 有 壹個 附加 壓強
我們 管它 叫 表面張力 造成 的 壓強
表面張力 造成 的 壓強 表達式
寫作 2σ/R
這個 公式 比較 奇怪
2σ/R 是 什麼 意思 呢
這裏 邊 這個 σ
叫做 表面張力 系數
對於 水 來講 σ 是 0.072
大約 是 這個 數 N/m
也 就是 每米 的 長度 上
水 可以 產生 0.072N 的 力
這是 表面張力 的 含義 是 吧
那麼 水 平時 能夠 成 球體
或者 是 掛在 這個 玻璃板 上
其實 都 跟 表面張力 是 有關 系 的
這個 R 就是 半徑
從 這壹點 上 我們 能 看得出來
這個 半徑 越小
它 附加 的 這個 表面張力 的 壓強 就 越 大 好 吧
總而言之 我們 寫出 這個 表達式
我會 發現 它 其實 有 三項
也就是說 這些 氣泡 裏面 的 壓強
其實 是 比 大氣壓 大 的 對 不 對
其實 有點 類似 於 高壓鍋
這是 壹個 高壓 氣泡
只不過 平時 來講 這兩項 都 遠遠地 小於 大氣壓
不過 如果 這個 氣泡 非常 小
那 可 就 不壹 定 了
我們 舉 個例 子
比如說 假如 這壹 杯水 比較 均勻
它 裏邊 的 氣泡 非常 非常 小小
小到 多 大 呢
這個 半徑 是 1μm
微米 是 什麼
也 就是 10⁻⁶ 米 對 吧
這個 半徑 這麼 小
那 這樣 壹來 它 的 附加 壓強 2σ/R
由於 表面張力 造成 的 壓強
大約 有 1.4×10⁵Pa
表面張力 就 附加 了 這麼 多 的 壓強
大家 知道 大氣壓 是 多 大 嗎
標準大氣壓 是 1×10⁵Pa
大約 是 1×10⁵Pa
這個 水壓 ρgh 比較 小
平時 我們 家 的 鍋 也 沒多大 對 不 對
所以 ρgh 這壹項 我們 忽略不計 了
所以 最終 這個 氣泡 的 外界 壓強
就是 整體 這個 氣泡 受到 的 壓強
大約 有 多 大 呢
大約 有 2.4×10⁵Pa
它 形成 了 壹個 高壓鍋 的 效果 對 不 對
它 有 了 這麼 大 的 外界 壓強
就 造成 了 水 不 容易 沸騰
如果 我們 去 查表 就 會 發現
當 妳 的 壓強 有 這麼 大 的 時候
2.4 個 atm 的 時候 是 吧 大約 是 2.4 個 atm
那 此時 妳 沸騰 的 溫度 大約 是 在 126 攝氏度
所以 此時 如果 妳 的 水
燒到 100 度 甚至 110 度
那麼 這個 水它 都 不會 沸騰 的 對 不 對
所以 這種 現象 就 稱 之 為 什麼
就 稱 之 為過 熱水 過 熱水
就是說 此時 它 已經 在 標準大氣壓 下
超過 了 100 度
這個 水 應該 沸騰
但是 因為 它 這個 氣泡 太小 了
所以 就 造成 了 附加 壓強 很大
這個 氣泡 每壹個 小氣泡 都 是 壹個 小 高壓鍋
所以 它們 誰 都 不 沸騰
當然 不 沸騰 是 有 條件 的
就是 氣泡 很小
什麼 時候 氣泡 很小 呢
那 就是 當 這個 液體 怎麼 著 啊
比較 純 凈 沒有 什麼 雜質 對 不 對
而 這個 容器 怎麼 著 啊
這個 容器 也 非常 的 光滑
比如說 玻璃杯 它 就 非常 光滑
這個 時候 裏邊 沒有 大 氣泡
所有 的 氣泡 都 是 由 液體 分子 漲落 造成 的
氣泡 的 半徑 非常 非常 小
所以 就 造成 了 加熱 到 100 度 以上 它 也 不 沸騰
就 出現 了 這種 過熱 的 水 的 這種 情況 是 吧
但是 壹旦 我們 加 了 壹些 擾動
比如說 我們 加 了 壹些 雜質 往 裏邊 倒 咖啡 是不是
或者 往 裏邊 倒 鹽 加入 雜質 或者 是 擾動
比如說 我們 用手 拿 出來 的 時候 晃動
有壹些 空氣 進去 了
這個 時候 就 出現 問題 了
因為 妳 壹旦 出現 了 擾動
就 會 出現 很大 的 氣泡 進入 到 這個 水中 對 不 對
這個 氣泡 壹旦 進入 到 水中
這個 半徑 就 遠遠 大於
剛才 咱們 說 的 這 1 微米 了
半徑 壹旦 增大 了
附加 壓強 2σ/R 就 劇烈 的 減小 對 吧
妳 附加 壓強 減小 了 之後
相當於 這個 高壓鍋 它 那個 蓋 被 打開 了
壹下子 就 漏氣 了
漏氣 了 之後 怎麼樣 水 就 劇烈 沸騰
而水壹 沸騰 大量 的 氣體 進 到 這個 氣泡 裏面 去
水分子 進 到 這個 氣泡 裏面 去
就 會 造成 這個 氣泡 的 體積 進壹步 變大
半徑 進壹步 變大 的 時候 又 會 造成 附加 壓強 減少
所以 它們 之間 會 出現 正反饋 效應
那 這樣 壹來 就 會 出現 什麼 出現 暴沸
本來 是 壹 瓶 過熱 的 水
已經 110 度還 沒有 沸騰 呢
妳 拿 個 棒 壹 攪合 它
或者 是 妳 這個 往 裏邊 倒點 咖啡
它 突然 之間 出現 了 暴沸
這種 現象 是 非常 的 危險 的
所以 我們 在 做 很多 化學 實驗 的 時候
加熱 的 時候
為 了 防止出現 暴沸 我們 都 怎麼 著 啊
我們 都 把 裏面 放壹些 沸石 是 吧
往裏面 放壹些 多 洞 的 多孔 的 東西
這樣 壹來 它 就 裏邊 比較 容易 出現 氣泡
不會 出現 暴沸 的 情況 對 吧
我們 平時 用鍋 去 煮 這個 鐵鍋 去 煮水
為 什麼 就 不會 出現 暴沸 呢
壹來 就是 因為 鐵鍋 它 底下 坑坑窪窪 的
所以 有 很多 地方 可以 儲存 空氣
這些 空氣 的 氣泡 半徑 都 比較 大
所以 壹到 100 度 之後 它 就 沸騰 了 是 吧
還有 壹個 原因
是 因為 如果 是 這個 鐵鍋
它會 出現 什麼 的 現象 呢
它會 出現 這種 對流 現象
就是 熱水 上升 冷水 下降 會 出現 對流
在 對流 的 過程 之中
也 會 防止 暴沸 的 出現 對 不 對
但 反過來說 妳 要是 用 微波爐 加熱
妳 用 什麼 杯子 妳 用 玻璃杯
玻璃杯 首先 就 非常 光滑
所以 它 很 難 出現 這個 藏住 空氣 的 地方 對 不 對
然後 妳 加熱 的 時候 妳 還是 用 微波 加熱
微波 這 玩意 有個 特點
它 不 存在 這個 對流 現象 對 吧
這個 微波 它 可以 讓 這個 裏外 壹 起熱 沒有 對流
所以 空氣 很 難進 得 去
這樣 壹來 就 滿足 第壹個 條件 了
液體 純 凈 容器 光滑
所以 容易 出現 過 熱水
妳 把 它 拿 出來 之後 壹 攪和
嘩壹 下子 就 爆沸 了 是 吧
所以 這種 情況 是 比較 危險 的
大家 千萬 不要 用 微波爐 去 燒水 是 吧
但是 妳 熱湯 應該 問題 不大
因為湯 裏面 有 很多 的 雜質 不會 出現 暴沸 的 情況
說 到 這 不知 大家 是不是 明白 了
這個 過 熱水 的 出現
其實 就是 缺少 壹個 沸騰 的 核
也 就是 這個 小氣泡
妳 引入 壹個 小氣泡 之後
它 就 會 突然 沸騰
因為 缺少 了 核 而 出現 的 這種 過飽和 現象
還有 很多
我們 再來 舉 幾個 其他 的 這個 過飽和 現象
我們 再舉 幾個 例子
比如說 第壹個 這個 叫過 飽和溶液
什麼 叫過 飽和溶液 呢
我們 知道 某些 物質 溶於 水
但是 它 不能 無限 的 溶
比如 鹽 妳 加多 了 這個 鹽 它 就 不 溶 了 對 不 對
但 有 的 時候 我們 可以 造 出過 飽和溶液 來
還有 很多 有趣 的 實驗
比如 壹個 實驗 大家 看過 嗎
就是 人造 石鐘乳 是 吧
拿壹杯 液體 往下 倒
壹 倒 結果 出來 壹溜 這個
類似 於 石頭 壹樣 的 東西 結晶 了
這 實際上 就是 壹個過 飽和溶液 的 現象
它 壹般 來講 是 利用 這個 醋酸鈉 做 的
醋酸鈉 這種 物質 它 能夠 溶於 水
我 把 醋酸鈉 溶於 水 然後 它 溶滿 了
之後 我 加熱 加熱 了 之後
它 就 可以 溶 更 多 的 醋酸鈉
然後 我 冷卻
冷卻 了 之後 這個 醋酸鈉 就 過飽和 了
按理說 它 應該 結晶
但是 如果 缺少 這個 結晶 的 核 的話
它 即便 過飽和 冷卻 下來 它 也 不 結晶
此時 妳 給它點 擾動
比如 拿壹個 玻璃棒 捅 它 壹 下
或者 從 上面 倒 下來 壹樣 它 就 會 出現
壹下子 迅速 就 結晶 這種 情況 是 吧
這個 就是 過 飽和溶液 結晶
還有 壹個 就是 可樂 噴泉
這個 大家 應該 見過 吧
我還 特意 買 了 壹個 可樂
可樂 加曼 妥思 就 往 外噴 是 吧
咱們 現在 做 這個 實驗
這個 是 可樂 那 這個 就是 曼妥思
我 現在 就 把 曼 妥思 放在 可樂 裏邊
好 做 完 了
這 可樂 加曼 妥思為 什麼 噴呢
有人 說 那 是 因為 可樂 和曼 妥思 發生 了 化學反應
其實 不是
是 因為 可樂 裏邊 有 很多 的 過飽和 的 二氧化碳
靠 壓力 打進去 的
平時 它 就 想 出來
但是 沒人 挑事 缺乏 核 所以 它 出不來
這個 時候 妳 把 曼 妥思 放進去
曼妥思 表面 有 很多 的 凸凹
這個 表面 很多 的 凸凹 上面 就 帶有 壹些 空氣
於是 這 二氧化碳 就 鉆 到 這個 空氣 洞 裏邊
形成 了 壹個 又 壹個 的 小氣泡
這些 個 小氣泡 就會成 為 核
讓 二氧化碳 從 這個 可樂 裏面 噴出來 是 吧
就是 這麼 個 道理
其實 妳 不 加曼 妥思 加 別的 也 是 壹樣
比如 我 加鹽 大家 再 看 壹 下
這是 可樂 這是 壹袋 鹽
我 現在 把 這個 鹽 倒 到 這個 可樂 裏邊
可樂 也 出現 了 噴發
好 妳 看 加鹽 可樂 是不是 也 噴了 對 吧
都 是 因為 引入 了 這個 汽化 的 核
還有 壹個 就是 過冷 的 液體
過冷 的 液體
大家 在 網上 看過 這樣 的 實驗 嗎
我們 把 這個 純 凈 水 放到 冰箱 裏面 凍
凍 了 幾個 小時 拿 出來
妳 發現 它 還是 液體 對 吧 可以 倒
但是 如果 妳 敲 它 壹 下
結果 就 發現 這個 瓶子 裏邊 的 水 嘩嘩 ... 全都 凍成 冰 了
或者 妳 往外 倒 著 的 時候
妳會 發現 它 直接 凍成 冰柱 了
說 為 什麼 會 出現 這種 情況 呢
那 是 因為 這個 水它 已經 低於 零度 了
按說 它 應該 已經 凝固 成冰 了
但是 很 遺憾 因為 沒有 凝結核
就 沒有 壹些 雜質 沒有 壹些 冰晶
所以 它 就 沒有 辦法 凝結 成 這個 冰
於是 它 就 出現 了 壹種 過冷 的 液體
妳 壹旦 敲 它 壹 下 它 就 立刻 變成 冰 了
就 這麼 個 現象 是 吧
在生活中 過冷 液體 的 壹個 典型 現象 就是 凍雨
凍雨 什麼 意思 呢
就是說 看起來 像 雨
但是 落到 地面 上 之後 壹下子 凍成 冰
原因 是 什麼
這是 因為 這些 個水 在 空氣 中往 下落 的 時候
遇到 過冷 的 氣體
結果 這些 水 就 迅速 低到 零度以下 了 對 吧
這些 水低 到 零度以下 之後
因為 缺少 凝結核 所以 它 也 不 凍成 冰
壹旦 到 了 地面 上
什麼 電線 桿 或者 鴨子 的 嘴 上 是 吧
它 壹 下子 就 凍成 冰 了
所以 就 出現 了 這種 所謂 的 凍雨 現象
除此之外 在 粒子 物理 上 還有 兩個 東西
跟 這種 過飽和 蒸汽 過冷 過熱 有點 關系
壹個 就是 威爾遜 雲室
威爾遜 雲室 是 威爾遜 發明 的 壹個 東西
它 的 原理 是 什麼 呢
就是 它 裏面 裝了 壹些 酒精 或者 水 的 過飽和 蒸汽
靠 加壓 的 作用 形成 的 壹個 過飽和 蒸汽
那麼 當 這個 粒子 通過 雲室 的 時候
粒子 旁邊 的 這個 軌跡 就 會 造成 凝結核
於是 這些 蒸汽 就 會 在 粒子 軌跡 上 液化
我們 就 能夠 看到 粒子 的 軌跡 了
那麼 通過 威爾遜 雲室 人們 發現 了 什麼 呀
人們 發現 了 正電子 是 吧
那張 著名 的 發現 正電子 的 照片
其實 就是 用 威爾遜 雲室 照出來 的
那 它 是 壹個 過飽和 蒸汽 的 壹個 實驗 裝置
還有 壹個 叫 氣泡室
這個 氣泡室 它 是 另外 壹個 唐納德 同誌 發明 的
氣泡室 的 原理 跟 雲室 正好 相反
它 是 過熱 的 液體
它 本來 是 想 汽化 的 但還 沒有 汽化
我加 了 壓力 就 沒法 汽化
我 突然 壹 減壓 它 就 過飽和 希望 汽化 了
在 什麼 地方 汽化 呢
當 粒子 經過 的 時候
在 粒子 的 軌跡 上 形成 了 這種 汽化 核
於是 它 在 粒子 軌跡 上 汽化 形成 了 壹串 軌跡
人們 通過 氣泡室 發現 了 什麼 呢
就 發現 了 WZ 玻色子
所以 對於 粒子 物理 的 發展 還是 很 有 作用 的
其實 無論是 汽化 還是 液化 這都 是 壹種 相變
就是 當 外界 條件 改變 的 時候
比如說 溫度 升得 很 高
那麼 液體 就 會 變成 氣體
如果 溫度 降得 很 低 那 液體 就 會 變成 固體
但是 在 相變 的 過程 中壹定 要 出現 核
比如說 汽化 的 時候 要 出現 小氣泡
在 液化 的 時候 要 出現 凝結核 小 冰晶
如果 沒有 這些 核 的話
那麼 就 會 出現 過冷 或者 過熱 的 現象
也就是說 溫度 超過 了 沸點 而 不 沸騰
溫度 低於 了 凝固點 而 不 凝固
此時 只要 壹點 外界 的 擾動
它 就 會 迅速 的 沸騰 或者 是 迅速 的 凝固
其實 這種 自然現象
很 像 我們 在生活中 遇到 的 壹種 情景
就 平時 我們 看著 非常 正常 的 壹 個人
遇到 壹點 小事 突然 間 就 崩潰 了
然後 嚎啕大哭
其實 很 有 可能 壓力
已經 讓 他 成為 壹種 過熱 的 液體 了
此時 有 壹 點點 擾動 他 就 突然 之間 爆炸 了
那壹件 小事 就 起到 了 凝結核 的 作用
我們 再來 回顧 壹下 歷史
在 中國 歷史 上 有 很多 強大 的 王朝
比如說 秦朝 他 壹 共 只 統治 了 14 年 就 崩潰 了
起因 是 陳勝吳廣 起義
為 什麼 兩個 小人物 陳 勝和 吳廣 起義
可以 導致 這麼 大壹個 王朝 的 覆滅 呢
這是 因為 在 秦朝 的 統治 下 老百姓 苦不堪言
這就 好像 是 過熱 的 液體 壹樣
此時 只 需要 壹個 小小的 相變 核
比如說 陳勝吳廣 天下 群雄 就 紛紛 響應
就 好像 液體 突然 之間 暴沸 了 壹樣
所以 不管 是 對於 個人 還是 社會 暴沸 的 現象
其實 都 是 很 可怕 的
我們 應該 學會 如何 去 發泄 這個 壓力
防止 暴沸 現象 的 出現
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