烧开水是生活中最常见的事之一,仅仅是开足火力并不能把水烧到110摄氏度,还需要考虑其它因素,主要是压强。
水的沸点与压强有关
应该很多人都知道,在标准大气压下,水的沸点是100摄氏度。需要注意一下,由于国际上对温度计量标准的变更,使用摄氏温标时,一个标准大气压下水的沸点为99.974℃。水中的杂质也会对水的沸点产生影响,不过我们这里讨论的是纯净水。
地球表面笼罩着一层厚厚的大气层,在地球重力的作用下会产生大气压。气温0摄氏度,纬度45度的海平面上的气压被称为标准大气压,其数值大小为101.325千帕,即每平方米要承受101325牛的压力。一个标准大气压相当于760毫米汞柱产生的压强,或者相当于10.339米水柱产生的压强。
沸点是液体沸腾时的温度,沸腾是一种剧烈的汽化现象。当液体沸腾时,其内部及表面同时汽化,在液体内部会产生大量气泡。当气泡中的饱和蒸汽压与外界施加的压强相等时,气泡才能长大并上升,这就是液体沸点与气压有关的原因。通常,在一定范围内,液体的沸点会随着外界压力的升高而升高。
水是液体,当然也遵守这个规律。在高海拔地区,比如青藏高原,那里水的沸点就低于100摄氏度,水比较容易沸腾,因此,做饭时使用高压锅食物才比较容易熟,口感也更好。在深海热泉口,那里的压力极高,水的沸点也可以达到几百度。
水的沸腾是一种汽化,水汽化时需要吸收热量。标准大气压下,一定质量和温度的液体变为气体时所吸收的热量称之为汽化热(或蒸发热)。在标准大气压下,1千克100摄氏度的水汽化时需要吸收2257千焦的热量,相当于将0摄氏度的水加热到100摄氏度时所需热量的5倍。
除了沸点,水的沸腾现象还与汽化核有关
水壶烧水时是从壶底开始加热,壶底会产生气泡并逐渐上升破裂,整个沸腾过程围绕着这些气泡而进行,这些气泡被称之为汽化核。
如果用光滑的容器将比较纯净的水放在微波炉中进行加热,而微波炉的加热过程与水壶的加热过程不同,微波炉加热时水体受热均匀,几乎不会形成汽化核。由于缺乏汽化核,在标准大气压下,水的温度即使达到沸点也不会沸腾,这被称之为过热现象。过热液体极不稳定,当过热的水受到外界扰动时,便会发生暴沸(爆炸性沸腾)现象。外界温度突然急剧下降、摇晃、搅拌、投入杂质等,这些都属于扰动。
暴沸非常危险,增加液体中的气泡或杂质可以防止过热热体的形成。
一定质量的水,提供足够的热量,在一定压强下才能加热到110摄氏度
如果仅仅是不断的加热,在标准大气压下,水的温度只会维持在100摄氏度,将会持续不断的蒸发,直至容器中的水烧干。
要想将水加热到110摄氏度,1.5倍大气压就足够了。我们无法改变大气压,却可以改变烧水的容器,使用密闭性较好的烧水容器,就可以使水的温度提高到110摄氏度以上。在密闭的容器中,加热会产生一定量的水蒸气,这些水蒸气就会使容器内的气压增加。
水的比热容为4.2千焦/(千克·摄氏度),气压和温度仅会对水的比热容产生微小的影响。大家可以试着算一下,将1千克15度的纯水加热到110度理论上至少需要多少热量?
此外,水达到一定温度,将会发生某些神奇的变化。在气压为22.1兆帕、水的温度为374摄氏度时,水的密度与水蒸气的密度一样,已经分不清水和水蒸气了,这种状态被称之为超临界状态。处于超临界状态的水具有某些神奇的效应,比如具有极强的氧化能力。
总结一下,在1.5倍的大气压下,就能将纯净水加热到110摄氏度。
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