關于固定容器中水沸騰的分析
——固定容器中的水在溫度高于沸點時發生沸騰的原因與不發生沸騰的物理條件

羅燭紅

(青海湟川中學 青海 西寧 810008)

在日常生活中，我們發現只要給裝有水的容器加熱升溫，當溫度超過水的沸點時，水就會產生沸騰．在實際教學過程中，教師和學生也探討有無辦法在溫度接近或超過水的沸點后，讓水不發生沸騰．本文從對應態方程出發，先分析水沸騰的原因，然后提出即使在溫度超過水沸點情況下水也可能不發生沸騰的物理條件．

1 引言

對應態定律是指利用臨界參量把范德華瓦爾斯方程無量綱化后的結果，下面簡要地寫出其推導過程和對應態方程的形式．

范德華瓦爾斯方程

(1)

這里P，V，T和n分別是壓強、體積、溫度和物質的摩爾量，a和b是由實驗確定的參數．

在溫度T取常數時，從上述方程可以得到壓強P作為體積V的函數

(2)

Vc=3nb

(3)

各種物質的物態方程可以統一用該式描述，也因此將此關系式稱為對應態定律．

2 利用對應態定律分析水的沸騰

圖1 對應態方程的T*，V*和P*的關系

對于水而言，可查表得到其臨界溫度674.14 K、臨界體積0.059 L/mol和臨界壓強217.6 atm[2]，故在常溫常壓下，水處于氣液共存區域，液態水和水蒸氣達到平衡．圖2給出了水在臨界溫度時的對應態方程的壓強和體積的關系．對于裝有水的密閉容器，我們認為密閉容器的體積不變，故對于水的狀態變化一定為等體積過程．下面利用對應態方程說明日常生活中在升溫時水發生沸騰的原因．

圖2 水在臨界溫度時的壓強P*和體積V*的關系

在實際情況中，固定容器中盛有水，同時容器中又含有水蒸氣，水通常處于氣液共存區域，而且液態水和氣態水處于平衡．正如日常生活經驗所知，當升高溫度達到沸點時，大量水會變成氣態，氣態的水以氣泡形式在液態水中破裂從而發生沸騰．日常生活中水沸騰的實例也給出水的沸點會隨外界壓強的減小而減小．下面進一步說明沸點隨壓強具有這種變化特性的原因．從沸點的定義知，沸點是指某壓強下液相與氣液共存相交點處的溫度，因此不同壓強下將有不同的沸點值．按照對應態方程得到的沸騰曲線(見圖2左邊)給出了不同飽和蒸汽壓強下水沸點的變化情況，可以從圖中看到沸點沿沸騰曲線是隨著壓強減小而減小的．這種情況在實際生活中也是易見的，比如在青海高原地段，由于空氣稀薄，壓強比內地小，燒開水時水的沸點比內地要低，80多攝氏度水就沸騰了．

對于容器的體積而言，存在兩種情況，容器體積大于臨界體積和容器體積小臨界體積．對于第一種情況，水的狀態處于圖2中的c點，若升溫，由于體積不變，水的狀態按照圖2中帶箭頭的虛線(3)變化，隨著溫度的升高，水從氣液共存區域進入氣體區域，最終全部變為氣態．對于第二種情況，水的狀態處于圖2中的b點，若升溫，由于體積不變，水的狀態按照圖2中帶箭頭的虛線(2)變化，隨著溫度的升高，水從氣液共存區域先全部變為液態水，再變為氣態，顯然這個過程不同于前一種情況，盡管溫度升高，但水卻會先變為液態，最后才變為氣態．但是對于這兩種情況，升溫時水都會從液態變為氣態，這說明在固定體積容器中，升高溫度到一定值時水都會產生沸騰．

然而，在固定容器中，升高溫度到沸點時水可以不產生沸騰嗎？這也是可能的，假定容器的體積小于臨界體積，而且容積中全部填滿水．或者認為水蒸氣很少的情況下，水的狀態處于圖2中的a點，若升溫，由于體積不變，水的狀態按照圖2中帶箭頭的虛線(1)變化，隨著溫度的升高，水一直處于液態區域而不會進入氣體區域或氣液共存區域，這時固定容器中的水在溫度高于或遠高于沸點時都不會發生沸騰．這里指出，盡管由于缺少汽化中心將導致過熱液體，但與本文中的討論無關．

3 結論

實際情況下水和水蒸氣共同存在，在體積不變時，升高溫度到相應的沸點，水都會沸騰．但是當體積遠小于臨界體積且容積內水蒸氣很少時，溫度達到沸點或高于沸點，水仍處于液態，從而不會發生沸騰．

參考文獻

1 汪志誠. 熱力學·統計物理(第三版). 北京：高等教育出版社，2003. 118～123

2 趙凱華，羅蔚茵. 新概念物理教程·熱學(第二版). 北京：高等教育出版社，2005. 49～52

3 秦允豪. 普通物理學教程·熱學(第二版). 北京：高等教育出版社，2002. 309～318