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关于液体突沸的解释
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今天有同事发文章,讲述了一件在家庭中容易发生的严重的事故。这就是用微波炉加热水(液体),水突沸导致烫伤的事故。事情是这样的,一个人想冲一杯咖啡,就使用微波炉加热了一杯白水。当微波炉提示OK了以后,他将这杯水拿出来。发现水并没有沸腾,而是很平静。就在这个时候,杯子里的水忽然的沸腾起来,爆炸,导致此人脸部严重的烫伤,很严重。
虽然早知道这个现象。今天收到mail,就又仔细的想了想。发现其中真的蕴涵好多的物理学原理。心血来潮,忽然就想写这样一篇文章,来详细阐述这个原理。这其中涉及到的物理学概念有:温度、气化、沸点、爆炸。
为避免冗长,将这几个概念的解释放在后面附加的部分。虽然我极力想避免,但似乎这个问题很难用极少的篇幅说清楚。
首先我们来了解一下微波炉的加热原理。微波炉,当然是用微波来加热物品的。为什么微波就能加热物品呢?我们先来看这样一个实验,将一块冰和一块干冰(固态二氧化碳)同时放在两个相同的微波炉里,使用相同的功率加热相同的时间。会发生什么结果呢?冰会化掉,而干冰则安然无恙,完好无损。这个实验结果很让人惊奇!为什么同样加热,冰都融化了,而凝固点低得多的干冰怎么没液化甚至气化成平时的气态呢?这都是因为微波炉的加热原理。我们来仔细了解一下冰和干冰的不同。冰的分子式是H2O,它的化学键是120度角的,H+和O-2的分布导致起电性是不均匀的。也就是说,它稍宏观的表现是一面是正电荷,而另一面则是负电荷。而干冰的分子式CO2中C和2个O则是排列在一条直线上。在稍宏观的表现则是没有电性的,任何方向都是平均的。这就导致了不同。微波炉将微波打到这些分子上。冰的分子,由于极性的不同,会被微波激荡的来回运动,运动,这就是温度。这样冰的温度就逐渐升高,甚至融化。而干冰,由于其分子根本就是没有极性的,所以微波的激荡也不可能引起其分子的运动,自然,温度也就不会上升,也就不会融化了。
水,自然也是可以加热的。我们知道,液体加热倒沸点就会沸腾。我们平时烧水,为什么不会爆炸?因为平时烧水,能量是靠热传递从下面给水的,在水中由于密度的差异,就会引起对流,水壶中的水时刻都是在运动的。由于加热,水的蒸发也在加剧,这也导致了水面局部的气流不稳。气流的不稳在局部就表现为局部气压的不稳。由于液体的沸点是和气压有关系的,所以在局部就有可能先达到当时气压的沸点,发生局部的沸腾。谚语讲“响水不开,开水不响”就是这个道理。
而在微波炉中,情况就不太一样了。前面,我们知道了微波的加热原理。那么好,平时足够水沸腾的能量输入给微波炉中平静的水后,会产生什么反应呢。理想的情况,水分子会在自己原来位置的附近剧烈的震动,而彼此之间的流动则要少好多。这里,就要考虑温度的定义了。温度的定义是:物体内分子间平均动能的一种表现形式。那么我们就有疑问,这个平均动能,包括不包括分子震动的能量呢?如果定义为包括。那么这就是液体的例外情况了,达到沸点而不沸腾。而一旦有了杂质或者震动等破坏这个过稳定状态的时候,水就会突然的沸腾,就好比铁饼运动员旋转身体的时候看起来没什么,将铁饼投出去就是很大的速度和能量。这就是前面说的情况,这就是突沸。能量在短时间内大量的释放,这是什么?就是爆炸的定义么。而水蒸气遇到皮肤液化放热的危害,想必大家也都知道了。
话继续说回来,如果温度的定义不包括分子震动的能量。那么这个现象就更好解释了。因为这个时候,虽然水里包含了这么多的能量,可是并没有达到沸点。能量全部在震动中,而不在彼此碰撞的运动中。这很危险,一点有一点风吹草动,哪怕是外界气流的变化都会突沸。因为气流的变化引起局部气压的变化,引起局部水沸点的变化,局部水沸腾,一下子就引得水运动起来,而继续的能量就会马上的一瞬间释放出来了。
知道了这些,我们也就知道了在生活中去怎样避免突沸了。尽量不要用微波炉加热比较纯净的水,如果真的需要可以加点杂质什么的,比如茶或者咖啡(哈哈,没有人这么冲咖啡和泡茶的吧)。还有,由于前面讲的微波炉加热原理。也尽量不要加热煮鸡蛋(爆炸),或者其他封闭容器内的东西,因为一般微波炉的加热是从内而外的(虽然一起震动,但外面稍微有热传递,将热量散出去)。
写了这么多,很多也是自己想的,肯定有很多纰漏和错误。哈哈,权做消遣了,大家知道了就告诉我。随机文章:
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评论
现在,我拿水由液相转变成气相为例子来详细解释其中两个问题。
1.为什么形核比核长大困难?
先说气相形核过程,在水加热到沸点温度时,在局部可能出现接近气相的分子排列状态,这种分子排列状态具有比周围液相高的能量,它马上会被周围液相吸走能量而重新变回液相状态,故这种局部的分子排列也是不断地变动着,它们只能维持短暂时间就很快消失,同时新的又不断形成,出现了“此起彼伏”的局面。这种瞬时的接近气相的分子排列状态,它可能成为形核的“胚芽”。但要形核,尚需要一些能量来形成气相与液相的界面(正如折断一根木棒实质就是花费力气用于提供形成断裂面所需的能量一样),而且这个界面太小(即“核”的尺寸太小)的话,就容易被周围液相吸走能量而只能维持短暂时间很快消失。所以,必须有足够的能量来使局部出现接近气相的分子排列状态,成为“胚芽”并长大到一定尺寸以保证“核”的心部能量不容易被周围液相吸走。这个具有一定尺寸的“核”一旦形成,它就不再消失且不断长大。可见,形核比核长大要困难的多。
2. 为什么杂质处形核比纯净处形核容易?
主要有两个原因。
首先,如前所述,形核的“胚芽” 容易被周围液相吸走能量而消失。但在杂质处,周围液相较少,所以周围液相吸走能量的作用比起纯净处要小一些。
第二,形核的“胚芽”可以依附于杂质的表面生长,这样,气相与液相的界面减少,所以可以减少一些生长需要的界面形成能。
其实用物理学里的相变形核理论能更好地解释"突沸"现象.这个理论的一个基本观点是物质由一种相态变化到另一种相态时,绝大多数是通过新相的形核和长大进行的.所谓形核是说当达到临界温度时,旧相里某些地方获得足够的能量形成极微小的新相的"核",一旦这个核形成,它就很容易迅速长大而不象形核那样困难了,这样新相就由旧相里众多的新相核长大出来了.那水的"突沸"来说,纯水由液相转变成气相,则气相形核需要较大能量,当然如果使纯水震荡(如对流作用或摇晃杯子)或外界气流的变化,则水内局部地方获得高能量而使气相形核,从而气相迅速生成产生"突沸".如果水中有较多杂质,则气相在杂质处形核需要的能量小于在纯水中形核,固不会"突沸".
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是不是就可以用杯子装着加热呢?
“突沸”这个概念在“我想我是海”这首歌里已有描写
“我想我是海宁静的深海不是谁都明白
胸怀被敲开一颗小石块都可以让我澎湃”和你所说的
“能量全部在震动中,而不在彼此碰撞的运动中。这很危险,一点有一点风吹草动,哪怕是外界气流的变化都会突沸。”很像