燒開水是生活中最常見的事之一,僅僅是開足火力并不能把水燒到110攝氏度,還需要考慮其它因素,主要是壓強。 水的沸點與壓強有關(guān) 應(yīng)該很多人都知道,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的沸點是100攝氏度。需要注意一下,由于國際上對溫度計量標(biāo)準(zhǔn)的變更,使用攝氏溫標(biāo)時,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點為99.974℃。水中的雜質(zhì)也會對水的沸點產(chǎn)生影響,不過我們這里討論的是純凈水。 地球表面籠罩著一層厚厚的大氣層,在地球重力的作用下會產(chǎn)生大氣壓。氣溫0攝氏度,緯度45度的海平面上的氣壓被稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,其數(shù)值大小為101.325千帕,即每平方米要承受101325牛的壓力。一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相當(dāng)于760毫米汞柱產(chǎn)生的壓強,或者相當(dāng)于10.339米水柱產(chǎn)生的壓強。 沸點是液體沸騰時的溫度,沸騰是一種劇烈的汽化現(xiàn)象。當(dāng)液體沸騰時,其內(nèi)部及表面同時汽化,在液體內(nèi)部會產(chǎn)生大量氣泡。當(dāng)氣泡中的飽和蒸汽壓與外界施加的壓強相等時,氣泡才能長大并上升,這就是液體沸點與氣壓有關(guān)的原因。通常,在一定范圍內(nèi),液體的沸點會隨著外界壓力的升高而升高。 水是液體,當(dāng)然也遵守這個規(guī)律。在高海拔地區(qū),比如青藏高原,那里水的沸點就低于100攝氏度,水比較容易沸騰,因此,做飯時使用高壓鍋食物才比較容易熟,口感也更好。在深海熱泉口,那里的壓力極高,水的沸點也可以達到幾百度。 水的沸騰是一種汽化,水汽化時需要吸收熱量。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,一定質(zhì)量和溫度的液體變?yōu)闅怏w時所吸收的熱量稱之為汽化熱(或蒸發(fā)熱)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,1千克100攝氏度的水汽化時需要吸收2257千焦的熱量,相當(dāng)于將0攝氏度的水加熱到100攝氏度時所需熱量的5倍。 除了沸點,水的沸騰現(xiàn)象還與汽化核有關(guān) 水壺?zé)畷r是從壺底開始加熱,壺底會產(chǎn)生氣泡并逐漸上升破裂,整個沸騰過程圍繞著這些氣泡而進行,這些氣泡被稱之為汽化核。 如果用光滑的容器將比較純凈的水放在微波爐中進行加熱,而微波爐的加熱過程與水壺的加熱過程不同,微波爐加熱時水體受熱均勻,幾乎不會形成汽化核。由于缺乏汽化核,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的溫度即使達到沸點也不會沸騰,這被稱之為過熱現(xiàn)象。過熱液體極不穩(wěn)定,當(dāng)過熱的水受到外界擾動時,便會發(fā)生暴沸(爆炸性沸騰)現(xiàn)象。外界溫度突然急劇下降、搖晃、攪拌、投入雜質(zhì)等,這些都屬于擾動。 暴沸非常危險,增加液體中的氣泡或雜質(zhì)可以防止過熱熱體的形成。 一定質(zhì)量的水,提供足夠的熱量,在一定壓強下才能加熱到110攝氏度 如果僅僅是不斷的加熱,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的溫度只會維持在100攝氏度,將會持續(xù)不斷的蒸發(fā),直至容器中的水燒干。 要想將水加熱到110攝氏度,1.5倍大氣壓就足夠了。我們無法改變大氣壓,卻可以改變燒水的容器,使用密閉性較好的燒水容器,就可以使水的溫度提高到110攝氏度以上。在密閉的容器中,加熱會產(chǎn)生一定量的水蒸氣,這些水蒸氣就會使容器內(nèi)的氣壓增加。 水的比熱容為4.2千焦/(千克·攝氏度),氣壓和溫度僅會對水的比熱容產(chǎn)生微小的影響。大家可以試著算一下,將1千克15度的純水加熱到110度理論上至少需要多少熱量? 此外,水達到一定溫度,將會發(fā)生某些神奇的變化。在氣壓為22.1兆帕、水的溫度為374攝氏度時,水的密度與水蒸氣的密度一樣,已經(jīng)分不清水和水蒸氣了,這種狀態(tài)被稱之為超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)的水具有某些神奇的效應(yīng),比如具有極強的氧化能力。 總結(jié)一下,在1.5倍的大氣壓下,就能將純凈水加熱到110攝氏度。 |
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