微波爐加熱清水之新路徑探究

摘 要：微波爐是我們平時常用的加熱食品的工具，而現(xiàn)在網(wǎng)上頻繁傳出用微波爐加熱水，導致水體暴沸致人受傷事件。本文從水的微觀結構出發(fā)，分析水加熱過程及沸騰現(xiàn)象的微觀機理。從而解釋過熱液體及暴沸現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。并結合實驗，探究微波爐燒水導致水體過熱的深刻內(nèi)涵。并提出解決此現(xiàn)象的科學方法，加以實驗驗證。

關鍵詞：過熱液體； 暴沸； 汽化核； 麥飯石

中圖分類號：R123.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2012）01-175-002

一、關于液體汽化理論的解釋

沸騰過程。在傳統(tǒng)的燒水方式中，所使用容器（水壺）內(nèi)表面是帶有大量微小孔洞的，這些孔洞中存有肉眼不可見的氣泡。這些氣泡的尺寸相對于水分子很大。其表面相對于水分子而言與整個水體表面無二。在加熱水時，水分子熱運動加劇，小氣泡附近具有較大動能的分子逃逸至小氣泡內(nèi)。這些小氣泡起到了汽化核的作用。[1]當水溫升至沸點時，小氣泡附近大動能分子涌入這些小氣泡內(nèi)，使得小氣泡迅速膨脹。在浮力的作用下小氣泡最終浮出水面將其內(nèi)部分子及其所攜帶的能量釋放到空氣中，形成沸騰現(xiàn)象。而在原小氣泡處，會殘留一小部分空氣附著于器壁之上而繼續(xù)充當汽化核，以使液體持續(xù)沸騰。

過熱液體形成。可以預見，如果足夠量的水被加熱足夠長的時間，容器壁上所貯存的小氣泡幾乎消耗殆盡。這時，液體內(nèi)部的分子，因沒有足夠的空間拉大彼此之間的的距離，而不能變?yōu)闅鈶B(tài)。[2]僅靠蒸發(fā)所帶走熱量不能平衡水體于外界吸收的熱量。能量囤積于水內(nèi)部，使得水溫超過沸點也不沸騰，即形成了過熱液體。此時，當外界施加一輕微擾動（如：雜質(zhì)混入水中或水體輕微震動）于水體，看似平靜的水便會立刻爆炸似的沸騰起來——暴沸。其原因為：擾動會使得少量空氣混入水中，液體內(nèi)部出現(xiàn)汽化核。此時，大量水分子會涌入氣體內(nèi)部，變?yōu)闅鈶B(tài)，并大量放熱，使水溫回歸沸點。

假定有這樣一個容器，其內(nèi)表面足夠光滑而無法貯存任何微小氣泡，在以這樣的容器燒水時，由于水內(nèi)部沒有小氣泡所充當?shù)钠耍敿訜嶙銐蜷L的時間，致使其形成過熱液體。此時人無法根據(jù)液體是否沸騰而判斷其溫度，貿(mào)然將盛水容器取出，難免不使其發(fā)生晃動，使過熱液體暴沸，此時高溫液滴飛濺，有可能對人身造成傷害。近些年來，網(wǎng)上頻傳以微波爐燒水導致水體暴沸致人受傷事件屢有傳出。下面，我們結合上邊對水汽化微觀機理的分析以及微波爐的加熱原理來分析這種情況發(fā)生的內(nèi)在原因。

二、微波爐加熱原理及麥飯石原料的引入

眾所周知，微波爐是以微波來對食物進行加熱的裝置。在其工作時，會釋放出微波輻射爐腔內(nèi)的食物。由于（食物內(nèi)的）水分子為極性分子，在微波的作用下，其極化取向會不斷變化導致其振動頻率隨之增大，進而導致其周圍分子的振動加快，從而使食物溫度升高。而微波爐用加熱器具多為玻璃或陶瓷制器皿，由于容器內(nèi)表面光滑，不能貯存微小氣泡，即沒有汽化核，而無法出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。由于沒有沸騰現(xiàn)象，我們便不能判斷液體的具體溫度，從而發(fā)生過熱液體暴沸的危險情形對人體造成傷害。為證實如上論斷以下將對以往研究經(jīng)驗予以簡要描述，進而在此基礎之上，找到一種恰切的解決方案。

在制取乙烯的試驗中[3]，為防止液體暴沸，要向液體內(nèi)放入少量沸石或碎瓷片。其原理在于:沸石或是碎瓷片一般具有多孔質(zhì)結構，其內(nèi)部可貯存有有一定量的小氣泡，這些小氣泡充當汽化核。根據(jù)以上分析，我們同樣可以在用微波爐加熱水時，在水中加入少量沸石或是碎瓷片防止暴沸現(xiàn)象。但出于衛(wèi)生原因，以上兩者不能為燒水所用。但通過對比，我們可用一種神奇的石頭——中華麥飯石來取代沸石或是碎瓷片。

麥飯石是一種天然藥物礦石。科學研究表明：麥飯石具有多孔質(zhì)結構，并含有大量人體所需的微量元素。[4]且于《本草綱目中》記載：“麥飯石氣味甘溫無毒，主治一切癰疽發(fā)背”。[5]在加熱水時向其中投入麥飯石，可起到與沸石相同的作用，其孔洞狀結構可吸附水中的雜質(zhì)起到凈化水體的作用。麥飯石浸沒于水中時，其所含有的微量元素會溶入水中，從而使得水對人體大有裨益。因此，在為節(jié)省時間而選用微波爐燒水時，可向水中加入少量麥飯石塊。這樣在方便快捷燒水的同時，消除了水體暴沸所帶來的安全隱患，而且使得燒出來的水富含微量元素。為證實這一操作的可行性，作者設計如下實驗。

用微波爐-麥飯石塊-干凈玻璃杯-溫度計（0℃-200℃）進行如下操作：

1.用水壺燒水直至壺內(nèi)的水沸騰，并維持一段時間。在此期間內(nèi)測量水的溫度——水的沸點為100℃。并觀察到液體內(nèi)部出現(xiàn)氣化現(xiàn)象時，小氣泡總是在容器內(nèi)表面出現(xiàn)。

2.向干凈玻璃杯中加入35mL自來水（約占杯子容積的1／4），并將其放入微波爐中加熱6min左右。維持溫度計示數(shù)于沸點附近。加熱完畢后，將水杯迅速平穩(wěn)的從微波爐中取出，在將其端出時，水體小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。立即用溫度計測量水的溫度。觀察到溫度計示數(shù)先增大后減小且最高可達105.8℃。并且在溫度計插入液面以下時，可明顯地觀察到在溫度計周圍水域中，有氣泡冒出。原因在于玻璃容器表面光滑，無法在其表面儲存充當氣化核的小氣泡，故水不會沸騰。而在取出的過程中，手的抖動導致水面的晃動，使得外界少量氣體混入水中，故而此過程中在水表面附近出現(xiàn)局域沸騰現(xiàn)象。在測量其溫度時，少量氣體會隨著溫度計進入水中，故而在溫度計附近出現(xiàn)局域沸騰現(xiàn)象。且將水杯從爐腔內(nèi)取出的過程中，系統(tǒng)必然向外散熱，溫度計的示數(shù)表明，在水杯從微波爐取出后的小段時間內(nèi)，水溫明顯高于沸點。可以預見，在微波爐停止加熱時，水溫應明顯高于其沸點。從而印證了剛從微波爐中取出的水是過熱液體。

3.再于此杯中加入35mL自來水（約占杯子容積的1／4）并放入微波爐中加熱6min左右，在加熱過程中，透過微波爐玻璃窗觀察到杯內(nèi)水體很平靜。加熱完畢后，將水杯迅速平穩(wěn)地從微波爐中取出，水體依然平靜，隨后迅速向水中加入少量咖啡末，觀察到水立刻爆炸式地沸騰起來，且由原杯1/4處迅速上涌并溢出至杯外，并隨有少量液滴飛濺。而后水面迅速下降。說明在加入咖啡末時，會向水中帶入大量的空氣，這些空氣充當了原水中缺乏的氣化核，使得處于過熱狀態(tài)的水，發(fā)生了暴沸現(xiàn)象并放出大量的能量，致使其自身溫度降低至沸點以下。

4.將此杯洗凈，并在杯中投入2-3塊麥飯石塊。并向水杯中加入自來水，使總體積達到220mL。

將水杯放到微波爐內(nèi)加熱10min左右。在此過程中，透過微波爐小窗子觀察，在加熱過程后期，可明顯觀察到杯中水出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。待加熱完畢后，在打開爐門仍可觀察到沸騰現(xiàn)象，且氣泡由麥飯石表面溢出，將杯子迅速平穩(wěn)的從爐腔中取出，向其中加入咖啡末，水中只有極微量氣泡冒出，而觀察不到暴沸現(xiàn)象。說明：向水中加入麥飯石可有效地避免液體過熱現(xiàn)象。因而，我們可以根據(jù)日常生活經(jīng)驗來大致判斷水的溫度，進而有效地避免過熱液體對人體造成傷害。同時也證實了，并不是微波輻射的加熱方式，使水發(fā)生液體過熱現(xiàn)象。

三、簡要結論

通過以上理論分析及實驗操作可知：在以微波爐燒水時，容器表面過于光滑，致使其無法貯藏微小氣泡即不存在氣化核。長時間加熱，必導致水體過熱，而非微波爐加熱方式所致。向水中投入少量干凈的麥飯石可防止這種現(xiàn)象發(fā)生使水沸騰。這樣既保證了水可以正常沸騰，同時還保留了能源利用率更高，更環(huán)保，耗時更短等優(yōu)點，且當麥飯石在水中浸泡后，其內(nèi)部微量元素擴散至水中，使得水體富含營養(yǎng)，對人體大有裨益。

從微波爐的發(fā)明至今已有60余年[6]的歷史，如今它已走進千家萬戶，給尋常百姓的生活帶來了便利。沸騰更是常見的物理現(xiàn)象。而正是由于我們對這些習以為常的事物并不甚了解，才致使安全隱患隱藏在我們周圍。一塊麥飯石，不僅能為我們除去這潛在的隱患，而且還會為我們帶來意想不到的驚喜。這無不提醒我們，要對平時習慣了的東西多加思考，充分了解其本質(zhì)，利用自己所掌握的科學知識去解釋生活中的一切，改變自己的生活，使生活變得更加美好。

參考文獻：

[1]項賢民．分子動理論對水的沸騰現(xiàn)象的解釋，載于《物理教師》，2002年，第23卷，第九期

[2]秦允豪．熱學，高等教育出版社2001年版，第314頁

[3]全日制普通高級中學化學教科書（必修加選修）第二冊，人民教育出版社，2003年6月第一版，第122頁

[4]王銀葉，馬玉蘭，史艷嬌．活性麥飯石孔結構的探討及應用，載于《天津化工》，2003年3月（第17卷），第2期

[5]李時珍．本草綱目金陵本，總52卷，第08冊，石部第十卷，石之四

[6]第一臺家用微波爐于雷聲公司于1947年推出