从武侠小说角度解读水沸腾的复杂物理过程

材料牛注：前沿科技很迷人，但是生活中的科学也蕴含着大智慧。比如，厨房的锅里沸腾的开水中其实发生着很多神奇的反应，许多物理因素影响着蒸汽的产生。你真的了解水沸腾的物理过程吗？下面就跟随小编去一探究竟吧！

知己知彼——了解水

我们将从分子水平对水进行研究，把水看作水分子的集群。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。氧原子比氢原子要大得多。大多数氢原子由一个唯一的电子在轨道上绕含一个质子的原子核运动。而氧原子的原子核更大，有8个电子绕核运动。氧气易得电子,是负电性物质。相反,氢气易失电子，是正电性物质。
2 H₂+ O₂→2 H₂O
假设一个水分子中的氢原子像H-O-H一样在一条直线上相互排斥，看起来没有什么不合理。事实上它们并不是这样。水分子大约呈104.5度角弯曲。弯曲的原因——极性。

拨开迷雾——极性与氢键

我们可以将水分子看成是氧原子位于顶端、两个氢原子位于底端。顶端的氧原子带有轻微负电荷,而底端的氢原子各带有一个氧原子所带正电荷的一半。相信大家对永久磁铁的北极和南极很熟悉，小小的电荷也有类似的现象。由于水分子具有极性，它会吸引其他水分子。这种吸引力称为氢键。氢键的力量并不是那么强大，还不如一个完整的化学键力量大。为了尊重这个事实,氢键应该用虚线表示而非实线表示。由于氢键的拉力比较弱,两个水分子相隔较远，因此氢键比其他化学键更长。

尽管氢键的力量弱于化学键,但是也需要能量来破坏它。聚沙成塔,因而需要的能量是相当大的，这就是为什么水的沸点会高达100摄氏度的原因。而与水分子非常相似的分子——硫化氢(H₂S)，在一个分子中的氢原子和另一个分子中的硫原子之间的键能就很小。令人惊讶的是,硫化氢在常温下不是液体,而是气体,沸点是-60摄氏度！

各显神通——水沸腾的其他影响因素

还有其他一些因素也会影响水沸腾，是从水龙头流出来的水中“天生”带有的。有可溶性矿物质、有机物、溶解在水中的空气。还有，不要忽略水中微小的灰尘甚至铁锈颗粒。这些都会影响水沸腾时的温度。另外，不管是玻璃还是金属的平底锅,都会有锋利的小瑕疵——划痕或凹痕。这些小瑕疵为气泡的形成和释放提供了场地，这有助于防止平底锅过热。水蒸气气泡迅速地形成，它们在变大之前就会从平底锅的底部和侧表面释放。

烽烟骤起——水中“骚动”

将盛有水的平底锅放在煤气炉上加热，会发生什么呢?发生的第一件事是,平底锅的底部被加热。随着水越来越热, 引起水中阵阵“骚动”。这是因为水的密度随温度升高而降低，所以温度最高的水(靠近锅底的地方)比它上方的水轻，它会上升到顶部。大气中的热气球会不断上升就是同样的道理。

无苦难不人生——大气给的压力

水沸腾的过程启发我们，生活中如果没有挫折，那简直太无趣了。加热平底锅中的水，可以为水提供能量以促进水分子的运动和氢键的破坏，使水分子能够转变成气态。但是还存在另一种力量阻碍着这一切。它就是大气压，和重力密切相关。地球的大气层从地面向上延伸至数百英里之高,但它的主要部分集中于十几英里之内。如果有一口平底锅在地球的表面加热烧水,另一口平底锅在高几英里的地方加热烧水，那么后者会先沸腾，因为更高的地方大气压小。例如，在平原地区水的沸点是100摄氏度，而高海拔地区水的沸点是72摄氏度。

乱世出英雄——气泡逃出生天

我们不难发现，打开平底锅的开关后没过多久,锅身就会产生气泡。有一小部分气泡来自以前溶解在水中的空气，被加热以后体积变大，溶解度变小而上升。不过，水中产生的气泡都来自溶解在水中的空气是一个错误的观点。因为在对水进行加热的实验中，只要水没有汽化完，就会不断地有气泡产生，而溶解在水中的空气肯定是有限的，不可能一直到水汽化完前还有很多空气溶解在水中。大部分气泡是水汽化成水蒸气而形成的。随着热量增加，水分子间的氢键被破坏,水蒸气分子逐渐形成。这些水蒸气分子团结起来成为气泡，在“乱世”中不断壮大。它们不断上升，当它们能够克服大气压的阻碍时，就能够逃逸到大气中了。逃逸的水分子是能量最高的,所以剩下的水的平均能量会减少。这也是为什么人或动物在出汗后会感到凉爽的原因。这个过程也加剧了水的“骚动”，水在翻滚中沸腾！

参考原文链接：The Complex Physics of Boiling Water on the Stove

本文由编辑部糯米提供素材，孟令晓编译，点我加入材料人编辑部

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