千万 不要 用 微波炉 烧水 ！李永乐 老师 讲 过热 /过冷 液体 Never boil water in the microwave! Teacher Li Yongle talks about superheated/supercooled liquids

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 过年 了 先 给 大家 说 一声 新年快乐 Let me say Happy New Year to everyone 在 过年 的 这 段时间 也 是 各种 案件 的 高发期 This period of Chinese New Year is also a period of high incidence of various cases 所以 大家 一定 要 注意 防火 防盗 So everyone must pay attention to fire prevention and theft 家里 的 水电 煤气 一定 要 管好 You must manage the water, electricity and gas at home 正确 使用 各种 炊具 最近 有个 小朋友 跟 我 说 他 有 一天 突然 想 喝茶 但是 家里 边 所有 的 锅 都 占 着 But all the pots in the house are occupied 于是 他 就 用 微波炉 烧水 烧 了 半天 这个 水 也 不见 开 他 就 从 微波炉 里 把 水 拿 出来 了 结果 在 拿 出来 的 时候 突然 之间 水 开始 沸腾 差点 就 烫 着 他 的 手 他 想 问 我 说 为什么 用 微波炉 烧水 的 时候 看似 平静 的 水面 会 突然 之间 沸腾 呢 今天 我们 来 讨论一下 这个 问题 这个 现象 其实 叫做 暴沸 现象 This phenomenon is actually called bumping phenomenon 它 也 是 沸腾 现象 的 一种 那 我们 首先 来 解释一下 沸腾 现象 为了 解释 沸腾 现象 我们 得 首先 讨论 一个 概念 叫做 饱和 蒸汽压 Saturated vapor pressure 什么 意思 呢 我们 在 初中 的 时候 就学 过 沸腾 是 什么 意思 啊 有 一杯 水 这 杯水 它 是 有 很多 个 水分子 构成 的 水分子 无时无刻 的 往 大气 中跑 对 吧 Water molecules run into the atmosphere all the time, right 大气 中 也 有 水分子 叫 水蒸气 水蒸气 它 也 无时无刻 的 往回 跑 那么 如果 空气 中 水分子 不够 这个 水分子 汽化 就 会 占 主导 宏观 表现 为水 减少 Macroscopically expressed as water reduction 如果 空气 中 水分子 比较 多 那么 液化 就 会 占 主导 then liquefaction will dominate 宏观 就 表现 为水 增多 所以 在 大部分 情况 下 它 会 达到 一种 稳态 的 平衡 就是 单位 时间 内 从 水中 跑 到 空气 当中 的 和 从 空气 当中 跑 回到 水中 的 差 不太多 It's not too different from running from the air to the water 这个 时候 我们 就 管 它 叫 水蒸气 饱和 了 此时 水蒸气 的 压强 就 叫做 饱和 蒸汽压 那 饱和 蒸汽压 跟 温度 的 关系 是 这样 的 我们 画 一张 图 横坐标 是 温度 纵坐标 是 水 的 饱和 蒸气 压 我们 会 发现 温度 越高 的 时候 水 的 饱和 蒸气 压越 大 而且 就 在 100 摄氏度 的 时候 水 的 饱和 蒸汽压 正好 是 一个 标准大气压 我们 写作 1atm 好 通过 这 张图 我们 就 可以 解释 为什么 会水到 100 度 就 沸腾 了 平时 这个 大气 它 是 有 两个 部分 的 压强 的 一个 部分 就是 大气 中 空气 的 部分 这是 主要 的 部分 里边 有 氧气 氮气 二氧化碳 的 这些 气体 它 的 压强 还有 一部分 就是 水 的 压强 水蒸气 的 压强 水蒸气 的 压强 在 不到 100 摄氏度 的 时候 你 会 发现 水蒸气 的 压强 怎么着 啊 在 不到 100 摄氏度 的 时候 你 会 发现 这个 水蒸气 的 饱和 蒸气 压 You will find the saturated vapor pressure of this water vapor 它 是 小于 大气压 的 所以 大气 只要 分 过来 一部分 给 水蒸气 就 能 达到 动态平衡 对 不 对 所以 这个 时候 它 就 不 沸腾 就 不 沸腾 但是 如果 温度 超过 了 100 摄氏度 此时 你 从 这 张图 上 就 会 发现 这个 饱和 蒸汽 水 的 饱和 蒸汽 是 大于 大气压 的 就是说 你 把 全部 的 大气压 都 给 水蒸气 然后 也 控制 不住 水往 外 冒 对 不 对 And then I can’t control the water coming out, right? 那 既然如此 的话 水 只好 剧烈 的 汽化 就 形成 了 沸腾 现象 这 就 告诉 我们 沸腾 不 沸腾 This tells us that boiling is not boiling 其实 是 要 看 外界 大气压 的 外界 大气压 越大 那么 它 就 越 不 容易 沸腾 外界 大气压 越 小 它 就 越 容易 沸腾 因为 它 控制 不住 水分子 往外 冒 对 不 对 这 也 可以 解释 为什么 高压锅 煮 东西 比较 快 因为 高压锅 里面 压强 大 所以 它 可以 让 水 在 很 高 的 温度 下 也 不 沸腾 煮饭 就 比较 快 了 对 不 对 但是 高压锅 不能 煮 面条 有 的 小朋友 学着 用 高压锅 煮 面条 结果 上压 了 之后 自己 害怕 了 把 那个 鼻子 给 拿 下来 了 Take that nose off 然后 就 看 那个 面条 一个 一个排 好队 Then just watch the noodles line up one by one 从 那个 鼻子 里边 哧 儿哧儿 ... 都 飞出去 了 是 吧 高压锅 一般 是 煮 一些 不太好 熟 的 东西 的 The pressure cooker is generally used to cook some things that are not well cooked. 我们 解释 了 什么 是 沸腾 那 现在 我们 就 可以 解释 那个 微波炉 烧水 为什么 会 突然 之间 出现 暴沸 的 这种 情况 暴沸 就是 拿 出来 的 时候 平静 的 然后 你 稍微 一 振荡 它 突然 之间 暴沸 了 这是 为什么 呢 这个 原因 嘛 我们 也 画 一个 图 大家 看 说 这里 有 一个 锅 或者 水杯 什么 的 水在 这个 锅 里边 但是 水 那里 边 还是 其实 有 一些 气泡 这个 气泡 挂 在 这个 底下 或者 侧壁 上 因为 表面张力 的 作用 它 就 吸 在 这个 位置 了 这 就是 一个 叫 气泡 这个 气泡 里边 实际上 是 气体 里边 有 水蒸气 可能 还有 一些 空气 我们 如果 把 这个 气泡 给 放大 这个 气泡 之所以 能够 存在 是因为 它 内部 有 一个 压强 向 外顶 同时 外部 也 有 压强 向 里边 顶 它 能够 平衡 这个 时候 气泡 就 可以 存在 这 里面 这个 外部 压强 其实 不仅仅 是 大气压 外部 压强 是 分为 三个 部分 的 外部 压强 等于 什么 呢 首先 就是 大气压 这个 大气压 就是 在 这个 水面 上方 有 这个 大气 是 吧 这个 大气 形成 的 这是 第一 部分 大气压 第二个 部分 是 由于 这个 气泡 到 水面 有 一个 距离 叫 h 吧 由于 这个 高度 造成 了 一个 水 的 压强 是 吧 叫 水压 水压 我们 学过 初中 物理 的 同学 大家 都 知道 水压 大小 应该 等于 ρgh 是 吧 水 的 密度 再 乘以 重力 加速度 再 乘以 高度 其实 还有 一个 部分 还有 一个 部分 是 什么 呢 就是 因为 这个 水面 它 有 一层 表面张力 表面张力 是 收缩 的 所以 它会 往 里边 挤 还会 有 一个 附加 压强 我们 管它 叫 表面张力 造成 的 压强 表面张力 造成 的 压强 表达式 写作 2σ/R 这个 公式 比较 奇怪 2σ/R 是 什么 意思 呢 这里 边 这个 σ 叫做 表面张力 系数 对于 水 来讲 σ 是 0.072 大约 是 这个 数 N/m 也 就是 每米 的 长度 上 水 可以 产生 0.072N 的 力 这是 表面张力 的 含义 是 吧 那么 水平 时 能够 成 球体 或者 是 挂 在 这个 玻璃板 上 其实 都 跟 表面张力 是 有 关系 的 这个 R 就是 半径 从这一点 上 我们 能 看得出来 这个 半径 越小 它 附加 的 这个 表面张力 的 压强 就 越 大 好 吧 The more pressure it adds to this surface tension, okay? 总而言之 我们 写出 这个 表达式 我会 发现 它 其实 有 三项 也就是说 这些 气泡 里面 的 压强 其实 是 比 大气压 大 的 对 不 对 其实 有点 类似 于 高压锅 这是 一个 高压 气泡 只不过 平时 来讲 这两项 都 远远地 小于 大气压 不过 如果 这个 气泡 非常 小 那 可 就 不 一定 了 我们 举个 例子 比如说 假如 这 一杯 水 比较 均匀 它 里边 的 气泡 非常 非常 小小 小到 多 大 呢 这个 半径 是 1μm 微米 是 什么 也 就是 10⁻⁶ 米 对 吧 这个 半径 这么 小 那 这样一来 它 的 附加 压强 2σ/R 由于 表面张力 造成 的 压强 大约 有 1.4×10⁵Pa 表面张力 就 附加 了 这么 多 的 压强 大家 知道 大气压 是 多 大 吗 标准大气压 是 1×10⁵Pa 大约 是 1×10⁵Pa 这个 水压 ρgh 比较 小 平时 我们 家 的 锅 也 没多大 对 不 对 所以 ρgh 这 一项 我们 忽略不计 了 所以 最终 这个 气泡 的 外界 压强 就是 整体 这个 气泡 受到 的 压强 大约 有 多 大 呢 大约 有 2.4×10⁵Pa 它 形成 了 一个 高压锅 的 效果 对 不 对 它 有 了 这么 大 的 外界 压强 就 造成 了 水 不 容易 沸腾 如果 我们 去 查表 就 会 发现 当 你 的 压强 有 这么 大 的 时候 2.4 个 atm 的 时候 是 吧 大约 是 2.4 个 atm 那 此时 你 沸腾 的 温度 大约 是 在 126 摄氏度 所以 此时 如果 你 的 水 烧到 100 度 甚至 110 度 那么 这个 水它 都 不会 沸腾 的 对 不 对 所以 这种 现象 就 称之为 什么 就 称之为 过 热水 过 热水 Call it overheated water. Overheated water. 就是说 此时 它 已经 在 标准大气压 下 超过 了 100 度 这个 水 应该 沸腾 但是 因为 它 这个 气泡 太小 了 所以 就 造成 了 附加 压强 很大 这个 气泡 每 一个 小气泡 都 是 一个 小 高压锅 所以 它们 谁 都 不 沸腾 当然 不 沸腾 是 有 条件 的 就是 气泡 很小 什么 时候 气泡 很小 呢 那 就是 当 这个 液体 怎么着 啊 比较 纯净 没有 什么 杂质 对 不 对 而 这个 容器 怎么着 啊 这个 容器 也 非常 的 光滑 比如说 玻璃杯 它 就 非常 光滑 这个 时候 里边 没有 大 气泡 所有 的 气泡 都 是 由 液体 分子 涨落 造成 的 气泡 的 半径 非常 非常 小 所以 就 造成 了 加热 到 100 度 以上 它 也 不 沸腾 就 出现 了 这种 过热 的 水 的 这种 情况 是 吧 但是 一旦 我们 加 了 一些 扰动 比如说 我们 加 了 一些 杂质 往 里边 倒 咖啡 是不是 或者 往 里边 倒 盐 加入 杂质 或者 是 扰动 比如说 我们 用手 拿 出来 的 时候 晃动 有 一些 空气 进去 了 这个 时候 就 出现 问题 了 因为 你 一旦 出现 了 扰动 就 会 出现 很大 的 气泡 进入 到 这个 水中 对 不 对 这个 气泡 一旦 进入 到 水中 这个 半径 就 远远 大于 刚才 咱们 说 的 这 1 微米 了 半径 一旦 增大 了 附加 压强 2σ/R 就 剧烈 的 减小 对 吧 你 附加 压强 减小 了 之后 相当于 这个 高压锅 它 那个 盖 被 打开 了 一下子 就 漏气 了 漏气 了 之后 怎么样 水 就 剧烈 沸腾 而水 一 沸腾 大量 的 气体 进 到 这个 气泡 里面 去 水分子 进 到 这个 气泡 里面 去 就 会 造成 这个 气泡 的 体积 进一步 变 大 半径 进一步 变大 的 时候 又 会 造成 附加 压强 减少 所以 它们 之间 会 出现 正反馈 效应 那 这样一来 就 会 出现 什么 出现 暴沸 本来 是 一瓶 过热 的 水 已经 110 度 还 没有 沸腾 呢 你 拿 个 棒 一 搅合 它 或者 是 你 这个 往 里边 倒点 咖啡 它 突然 之间 出现 了 暴沸 这种 现象 是 非常 的 危险 的 所以 我们 在 做 很多 化学 实验 的 时候 加热 的 时候 为了 防止出现 暴沸 我们 都 怎么着 啊 我们 都 把 里面 放 一些 沸石 是 吧 We all put some zeolite in it, right? 往里面 放 一些 多洞 的 多孔 的 东西 这样一来 它 就 里边 比较 容易 出现 气泡 不会 出现 暴沸 的 情况 对 吧 我们 平时 用锅 去 煮 这个 铁锅 去 煮水 为什么 就 不会 出现 暴沸 呢 一来 就是 因为 铁锅 它 底下 坑坑洼洼 的 所以 有 很多 地方 可以 储存 空气 这些 空气 的 气泡 半径 都 比较 大 所以 一到 100 度 之后 它 就 沸腾 了 是 吧 还有 一个 原因 是因为 如果 是 这个 铁锅 它会 出现 什么 的 现象 呢 它会 出现 这种 对流 现象 就是 热水 上升 冷水 下降 会 出现 对流 在 对流 的 过程 之中 也 会 防止 暴沸 的 出现 对 不 对 但 反过来说 你 要是 用 微波炉 加热 你 用 什么 杯子 你 用 玻璃杯 玻璃杯 首先 就 非常 光滑 所以 它 很 难 出现 这个 藏住 空气 的 地方 对 不 对 然后 你 加热 的 时候 你 还是 用 微波 加热 微波 这 玩意 有个 特点 它 不 存在 这个 对流 现象 对 吧 这个 微波 它 可以 让 这个 里外 一起 热 没有 对流 所以 空气 很 难进 得 去 这样一来 就 满足 第一个 条件 了 液体 纯净 容器 光滑 所以 容易 出现 过 热水 你 把 它 拿 出来 之后 一 搅和 哗 一下子 就 爆沸 了 是 吧 所以 这种 情况 是 比较 危险 的 大家 千万 不要 用 微波炉 去 烧水 是 吧 但是 你 热汤 应该 问题 不大 因为 汤 里面 有 很多 的 杂质 不会 出现 暴沸 的 情况 说 到 这 不知 大家 是不是 明白 了 这个 过 热水 的 出现 其实 就是 缺少 一个 沸腾 的 核 也 就是 这个 小气泡 你 引入 一个 小气泡 之后 它 就 会 突然 沸腾 因为 缺少 了 核 而 出现 的 这种 过饱和 现象 还有 很多 我们 再来举 几个 其他 的 这个 过饱和 现象 我们 再举 几个 例子 比如说 第一个 这个 叫 过 饱和溶液 什么 叫 过 饱和溶液 呢 我们 知道 某些 物质 溶于 水 但是 它 不能 无限 的 溶 比如 盐 你 加多 了 这个 盐 它 就 不 溶 了 对 不 对 但 有 的 时候 我们 可以 造 出过 饱和溶液 来 还有 很多 有趣 的 实验 比如 一个 实验 大家 看过 吗 就是 人造 石钟乳 是 吧 拿 一杯 液体 往下 倒 一倒 结果 出来 一溜 这个 As soon as I pour the result, I slip this 类似 于 石头 一样 的 东西 结晶 了 这 实际上 就是 一个 过 饱和溶液 的 现象 它 一般来讲 是 利用 这个 醋酸钠 做 的 醋酸钠 这种 物质 它 能够 溶于 水 我 把 醋酸钠 溶于 水 然后 它 溶满 了 I dissolve sodium acetate in water and it is full 之后 我 加热 加热 了 之后 它 就 可以 溶 更 多 的 醋酸钠 然后 我 冷却 冷却 了 之后 这个 醋酸钠 就 过饱和 了 按理说 它 应该 结晶 但是 如果 缺少 这个 结晶 的 核 的话 它 即便 过饱和 冷却 下来 它 也 不 结晶 此时 你 给 它 点 扰动 比如 拿 一个 玻璃棒 捅 它 一下 或者 从 上面 倒 下来 一样 它 就 会 出现 一下子 迅速 就 结晶 这种 情况 是 吧 这个 就是 过 饱和溶液 结晶 还有 一个 就是 可乐 喷泉 这个 大家 应该 见 过 吧 我 还 特意 买 了 一个 可乐 可乐 加曼 妥思 就 往外 喷 是 吧 咱们 现在 做 这个 实验 这个 是 可乐 那 这个 就是 曼妥思 我 现在 就 把 曼 妥思 放在 可乐 里边 好 做 完 了 这 可乐 加曼 妥思 为什么 喷 呢 有人 说 那 是因为 可乐 和曼 妥思 发生 了 化学反应 其实 不是 是因为 可乐 里边 有 很多 的 过饱和 的 二氧化碳 靠 压力 打进去 的 平时 它 就 想 出来 但是 没人 挑事 缺乏 核 所以 它 出不来 这个 时候 你 把 曼 妥思 放进去 曼妥思 表面 有 很多 的 凸凹 这个 表面 很多 的 凸凹 上面 就 带有 一些 空气 于是 这 二氧化碳 就 钻 到 这个 空气 洞 里边 形成 了 一个 又 一个 的 小气泡 这些 个 小气泡 就 会 成为 核 让 二氧化碳 从 这个 可乐 里面 喷出来 是 吧 就是 这么 个 道理 其实 你 不 加曼 妥思 加 别的 也 是 一样 比如 我 加盐 大家 再 看 一下 这是 可乐 这是 一袋 盐 我 现在 把 这个 盐 倒 到 这个 可乐 里边 可乐 也 出现 了 喷发 好 你 看 加盐 可乐 是不是 也 喷 了 对 吧 都 是因为 引入 了 这个 汽化 的 核 还有 一个 就是 过冷 的 液体 过冷 的 液体 大家 在 网上 看过 这样 的 实验 吗 我们 把 这个 纯净水 放到 冰箱 里面 冻 冻 了 几个 小时 拿 出来 你 发现 它 还是 液体 对 吧 可以 倒 但是 如果 你 敲 它 一下 结果 就 发现 这个 瓶子 里边 的 水 哗哗 ... 全都 冻成 冰 了 或者 你 往外 倒 着 的 时候 你 会 发现 它 直接 冻成 冰柱 了 说 为什么 会 出现 这种 情况 呢 那 是因为 这个 水它 已经 低于 零度 了 按说 它 应该 已经 凝固 成冰 了 但是 很 遗憾 因为 没有 凝结核 But unfortunately because there is no coagulation 就 没有 一些 杂质 没有 一些 冰晶 所以 它 就 没有 办法 凝结 成 这个 冰 于是 它 就 出现 了 一种 过冷 的 液体 你 一旦 敲 它 一下 它 就 立刻 变成 冰 了 就 这么 个 现象 是 吧 在生活中 过冷 液体 的 一个 典型 现象 就是 冻雨 冻雨 什么 意思 呢 就是说 看起来 像 雨 但是 落到 地面 上 之后 一下子 冻成 冰 原因 是 什么 这 是因为 这些 个水 在 空气 中往 下落 的 时候 遇到 过冷 的 气体 结果 这些 水 就 迅速 低到 零度以下 了 对 吧 As a result, the water quickly dropped below zero, right? 这些 水低 到 零度以下 之后 因为 缺少 凝结核 所以 它 也 不 冻成 冰 一旦 到 了 地面 上 什么 电线杆 或者 鸭子 的 嘴 上 是 吧 它 一下子 就 冻成 冰 了 所以 就 出现 了 这种 所谓 的 冻雨 现象 除此之外 在 粒子 物理 上 还有 两个 东西 跟 这种 过饱和 蒸汽 过冷 过热 有点 关系 一个 就是 威尔逊 云室 One is the Wilson Cloud Room 威尔逊 云室 是 威尔逊 发明 的 一个 东西 它 的 原理 是 什么 呢 就是 它 里面 装 了 一些 酒精 或者 水 的 过饱和 蒸汽 靠 加压 的 作用 形成 的 一个 过饱和 蒸汽 那么 当 这个 粒子 通过 云室 的 时候 粒子 旁边 的 这个 轨迹 就 会 造成 凝结核 于是 这些 蒸汽 就 会 在 粒子 轨迹 上 液化 我们 就 能够 看到 粒子 的 轨迹 了 那么 通过 威尔逊 云室 人们 发现 了 什么 呀 人们 发现 了 正电子 是 吧 那张 著名 的 发现 正电子 的 照片 其实 就是 用 威尔逊 云室 照出来 的 那 它 是 一个 过饱和 蒸汽 的 一个 实验 装置 还有 一个 叫 气泡室 这个 气泡室 它 是 另外 一个 唐纳德 同志 发明 的 气泡室 的 原理 跟 云室 正好 相反 它 是 过热 的 液体 它 本来 是 想 汽化 的 但 还 没有 汽化 我加 了 压力 就 没法 汽化 我 突然 一 减压 它 就 过饱和 希望 汽化 了 在 什么 地方 汽化 呢 当 粒子 经过 的 时候 在 粒子 的 轨迹 上 形成 了 这种 汽化 核 于是 它 在 粒子 轨迹 上 汽化 形成 了 一串 轨迹 人们 通过 气泡室 发现 了 什么 呢 就 发现 了 WZ 玻色子 所以 对于 粒子 物理 的 发展 还是 很 有 作用 的 其实 无论是 汽化 还是 液化 这 都 是 一种 相变 就是 当 外界 条件 改变 的 时候 比如说 温度 升得 很 高 那么 液体 就 会 变成 气体 如果 温度 降得 很 低 那 液体 就 会 变成 固体 但是 在 相变 的 过程 中 一定 要 出现 核 比如说 汽化 的 时候 要 出现 小气泡 在 液化 的 时候 要 出现 凝结核 小 冰晶 如果 没有 这些 核 的话 那么 就 会 出现 过冷 或者 过热 的 现象 也就是说 温度 超过 了 沸点 而 不 沸腾 温度 低于 了 凝固点 而 不 凝固 此时 只要 一点 外界 的 扰动 它 就 会 迅速 的 沸腾 或者 是 迅速 的 凝固 其实 这种 自然现象 很 像 我们 在生活中 遇到 的 一种 情景 就 平时 我们 看着 非常 正常 的 一个 人 遇到 一点 小事 突然 间 就 崩溃 了 然后 嚎啕大哭 其实 很 有 可能 压力 已经 让 他 成为 一种 过热 的 液体 了 此时 有 一点点 扰动 他 就 突然 之间 爆炸 了 那 一件 小事 就 起到 了 凝结核 的 作用 我们 再 来 回顾 一下 历史 在 中国 历史 上 有 很多 强大 的 王朝 比如说 秦朝 他 一共 只 统治 了 14 年 就 崩溃 了 起因 是 陈胜吴广 起义 为什么 两个 小人物 陈胜 和 吴广 起义 可以 导致 这么 大 一个 王朝 的 覆灭 呢 这 是因为 在 秦朝 的 统治 下 老百姓 苦不堪言 这 就 好像 是 过热 的 液体 一样 此时 只 需要 一个 小小的 相变 核 比如说 陈胜吴广 天下 群雄 就 纷纷 响应 就 好像 液体 突然 之间 暴沸 了 一样 所以 不管 是 对于 个人 还是 社会 暴沸 的 现象 其实 都 是 很 可怕 的 我们 应该 学会 如何 去 发泄 这个 压力 防止 暴沸 现象 的 出现 大家 如果 喜欢 我 的 视频 可以 在 YouTube 帐号 李永乐 老师 里 订阅 我 点击 小 铃铛 可以 第一 时间 获得 更新 信息