2022年10月6日

我们都知道,水可以从液体变为水蒸气,方式有蒸发和沸腾两种。这两种方式有什么区别?为什么从表现上差别这么大呢?

水是由水分子构成的,水分子每时每刻都在做无规则运动。在与空气接触的部分,一部分水分子会脱离水面,跑到空气当中,形成水蒸气。同时,空气中的水分子也有可能会回到水中。

水分子“脱离”和“回到”水面的过程每时每刻都在发生,而杯子中水的多少取决于这两个速率谁更大:

1. 如果单位时间脱离的水分子多,宏观上水就在减少,表现为蒸发。蒸发过程比较缓慢,在任何温度下都可以进行,而且只在液体表面上发生。

2. 反之,如果单位时间内回到水面的水分子多,宏观上水在增加,表现为液化。在空气十分潮湿时,杯子里可以凭空出水,就是这种现象。

3. 如果单位时间内,两个速率相等,此时就呈现出一种平衡态:杯子中的水既不增加,也不减少。密封的矿泉水瓶里就是这种情况。

密封的矿泉水瓶子中水蒸气和水已经达到平衡,水既不会变多,也不会减少。瓶中的气体部分是空气和水蒸气的混合气体。其压强是水蒸气和其他气体的压强共同构成的。这种达到饱和时的水蒸气压强就称为饱和蒸气压。

我们把空气中水蒸气压强与饱和蒸气压的比称为相对湿度。例如:20摄氏度时,水的饱和蒸气压是0.02个标准大气压。如果空气中的水蒸气压强为0.01个标准大气压,我们就称为相对湿度50%。如果空气中水蒸气压强为0.02个标准大气压,我们就称为相对湿度100%,此时人身上的汗没有办法蒸发。相对湿度可以用湿度计测量,一般是与温度计二合一的。

由于水分子运动的速率与温度有关:温度越高,水分子运动速率越快,所以液体分子更容易跑到空气当中。此时,空气中的水蒸气分子也必须更多才能达到平衡。所以,温度越高,水的饱和蒸气压就越大。

上面这张图是水的饱和蒸气压随着温度变化的关系图。横坐标是温度,单位摄氏度,纵坐标是压强,单位标准大气压。从图中我们会看出:在温度比较低时,饱和蒸气压很低,空气中水蒸气的比例很小。在温度为80摄氏度时,饱和蒸气压大约是0.5个标准大气压。此时饱和空气中有一半的压强是由水分子提供的。而当温度达到100摄氏度时,饱和蒸气压是一个标准大气压。

达到一个标准大气压会怎么样呢?如果此时外界大气压也是一个标准大气压,空气中毕竟还有氮气、氧气和其他气体,不可能把压强全部给水蒸气。这样就造成水蒸气的蒸气压无法与水平衡,单位时间内水中进入空气中的水分子多余从空气中回到水中的水分子,水剧烈汽化,形成沸腾现象。

沸腾是在水的内部和表面同时发生的剧烈的汽化现象。大量的水分子变为气体,形成气泡涌入空气当中。在沸腾时,水会吸收大量的热量,但是温度不再升高,所以在一个标准大气压下普通的锅或者电饭煲做饭,由于锅不是密封的,锅内压强与外界相同,都是一个标准大气压。此时只要锅内有水,温度就不会高于100摄氏度。

这是因为,压力锅有良好的密封性,可以控制锅内压强高于大气压,一般可以达到2-3个标准大气压。从沸点-温度图可以看出,在锅内达到2.5个标准大气压时,水的沸点会升高到130摄氏度左右。这样锅内温度就可以突破100度。

加热食物最重要的是温度,如果温度高,热量就能更快的传递给食物。同时,由于沸点的提高,减少了水沸腾时带走的热量,所以压力锅更加节能。

在我国西藏地区,由于海拔高,气压低,水在较低的温度就会沸腾。虽然表面上看水也咕嘟咕嘟冒泡,但是由于温度不够,很难把米饭煮熟。宋朝的著名文学家范成大到海拔3700m的峨眉山旅游,发现在山上“煮米不成饭”,他认为是因为山上的泉水太寒冷,故有“万古冰雪之法汁”之说。

然而实际上,这只是因为高原上气压低,沸点低,大量的热被水的沸腾带走的原因。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。