從武俠小說角度解讀水沸騰的復雜物理過程

材料牛注：前沿科技很迷人，但是生活中的科學也蘊含著大智慧。比如，廚房的鍋里沸騰的開水中其實發生著很多神奇的反應，許多物理因素影響著蒸汽的產生。你真的了解水沸騰的物理過程嗎？下面就跟隨小編去一探究竟吧！

知己知彼——了解水

我們將從分子水平對水進行研究，把水看作水分子的集群。一個水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成。氧原子比氫原子要大得多。大多數氫原子由一個唯一的電子在軌道上繞含一個質子的原子核運動。而氧原子的原子核更大，有8個電子繞核運動。氧氣易得電子,是負電性物質。相反,氫氣易失電子，是正電性物質。
2 H?+ O?→2 H?O
假設一個水分子中的氫原子像H-O-H一樣在一條直線上相互排斥，看起來沒有什么不合理。事實上它們并不是這樣。水分子大約呈104.5度角彎曲。彎曲的原因——極性。

撥開迷霧——極性與氫鍵

我們可以將水分子看成是氧原子位于頂端、兩個氫原子位于底端。頂端的氧原子帶有輕微負電荷,而底端的氫原子各帶有一個氧原子所帶正電荷的一半。相信大家對永久磁鐵的北極和南極很熟悉，小小的電荷也有類似的現象。由于水分子具有極性，它會吸引其他水分子。這種吸引力稱為氫鍵。氫鍵的力量并不是那么強大，還不如一個完整的化學鍵力量大。為了尊重這個事實,氫鍵應該用虛線表示而非實線表示。由于氫鍵的拉力比較弱,兩個水分子相隔較遠，因此氫鍵比其他化學鍵更長。

盡管氫鍵的力量弱于化學鍵,但是也需要能量來破壞它。聚沙成塔,因而需要的能量是相當大的，這就是為什么水的沸點會高達100攝氏度的原因。而與水分子非常相似的分子——硫化氫(H?S)，在一個分子中的氫原子和另一個分子中的硫原子之間的鍵能就很小。令人驚訝的是,硫化氫在常溫下不是液體,而是氣體,沸點是-60攝氏度！

各顯神通——水沸騰的其他影響因素

還有其他一些因素也會影響水沸騰，是從水龍頭流出來的水中“天生”帶有的。有可溶性礦物質、有機物、溶解在水中的空氣。還有，不要忽略水中微小的灰塵甚至鐵銹顆粒。這些都會影響水沸騰時的溫度。另外，不管是玻璃還是金屬的平底鍋,都會有鋒利的小瑕疵——劃痕或凹痕。這些小瑕疵為氣泡的形成和釋放提供了場地，這有助于防止平底鍋過熱。水蒸氣氣泡迅速地形成，它們在變大之前就會從平底鍋的底部和側表面釋放。

烽煙驟起——水中“騷動”

將盛有水的平底鍋放在煤氣爐上加熱，會發生什么呢?發生的第一件事是,平底鍋的底部被加熱。隨著水越來越熱, 引起水中陣陣“騷動”。這是因為水的密度隨溫度升高而降低，所以溫度最高的水(靠近鍋底的地方)比它上方的水輕，它會上升到頂部。大氣中的熱氣球會不斷上升就是同樣的道理。

無苦難不人生——大氣給的壓力

水沸騰的過程啟發我們，生活中如果沒有挫折，那簡直太無趣了。加熱平底鍋中的水，可以為水提供能量以促進水分子的運動和氫鍵的破壞，使水分子能夠轉變成氣態。但是還存在另一種力量阻礙著這一切。它就是大氣壓，和重力密切相關。地球的大氣層從地面向上延伸至數百英里之高,但它的主要部分集中于十幾英里之內。如果有一口平底鍋在地球的表面加熱燒水,另一口平底鍋在高幾英里的地方加熱燒水，那么后者會先沸騰，因為更高的地方大氣壓小。例如，在平原地區水的沸點是100攝氏度，而高海拔地區水的沸點是72攝氏度。

亂世出英雄——氣泡逃出生天

我們不難發現，打開平底鍋的開關后沒過多久,鍋身就會產生氣泡。有一小部分氣泡來自以前溶解在水中的空氣，被加熱以后體積變大，溶解度變小而上升。不過，水中產生的氣泡都來自溶解在水中的空氣是一個錯誤的觀點。因為在對水進行加熱的實驗中，只要水沒有汽化完，就會不斷地有氣泡產生，而溶解在水中的空氣肯定是有限的，不可能一直到水汽化完前還有很多空氣溶解在水中。大部分氣泡是水汽化成水蒸氣而形成的。隨著熱量增加，水分子間的氫鍵被破壞,水蒸氣分子逐漸形成。這些水蒸氣分子團結起來成為氣泡，在“亂世”中不斷壯大。它們不斷上升，當它們能夠克服大氣壓的阻礙時，就能夠逃逸到大氣中了。逃逸的水分子是能量最高的,所以剩下的水的平均能量會減少。這也是為什么人或動物在出汗后會感到涼爽的原因。這個過程也加劇了水的“騷動”，水在翻滾中沸騰！

參考原文鏈接：The Complex Physics of Boiling Water on the Stove

本文由編輯部糯米提供素材，孟令曉編譯，點我加入材料人編輯部

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