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水泡的产生与变化

2013-08-24 05:47阅读：

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日常生活中大多数人都烧过水。
有谁注意过吗？烧水的时候，烧水壶的壶壁上会有大大小小的气泡。这些气泡似乎并不急于离开它的老巢？它们什么时候会离家出走？在离家出走的过程中，它们是逐渐变大还是逐渐变小？有些现象大家都注意到了，有些现象可能只有少数人认认真真地观察过。
告诉你真实的现象。在向水壶中注入冷水的时候，水中夹杂的空气泡会迅速上浮至表面而破灭；但壶壁包括壶底的气泡就没那么性急，很多大大小小的气泡会死死依恋着壶壁，“就像老鼠爱大米”。但是，如果是往实验室的烧杯烧瓶或是家中的玻璃器皿中注水，那么壶壁上附着的气泡似乎就没那么多、没那么明显。
水泡的产生与变化

在烧水的初级阶段，不同位置的气泡都会受热膨胀，有些膨胀得快些，比如底部直接受热区域；有些膨胀得慢些，比如容器非直接受热的上部。气泡变大到一定程度后就会后脱离器壁。
在烧水的开始阶段，气泡在上升的途中会逐渐变小；而在烧水的后期，上升的气泡则会逐渐变大。像下图所示的那样。有些问题很简单，而有些问题似乎不那么容易回答。

水泡的产生与变化

各种容器的器壁上总会吸附一层空气。当冷水注入容器时，这层空气就变成了无数微小的气泡。气泡附着力的大小取决于器壁的粗糙程度。越是粗糙的表面，它对气泡的吸附力就越大，因为气泡与器壁的接触面积越大。各种器壁的粗糙程度是不同的，一般所用的铝制品、不锈钢制品的器壁粗糙程度大些，而玻璃容器的粗糙程度就很小，但也不是绝对的光滑，也存在亚微米及以下程度的凹凸。因此在器壁上吸附的空气泡尺寸也随之不同，大的可达毫米级，而小的则可能仅纳米数量级。器壁上附着的空气泡不计其数，尺寸分布也很宽，几乎所有凹坑中都会有空气泡存在，只是很多的气泡我们肉眼看不见。当器壁对气泡的吸附力大于其所受到的浮力时，气泡便紧紧依附于器壁。不是它们不想离开，而是浮力还太小并不能使它们脱离器壁。
受饱和蒸汽压的影响，空气泡中总会有一些水蒸汽存在，以达到与泡外液体的平衡。空气泡中水的饱和蒸汽压与平表面水的饱和蒸汽压的关系满足下列Kelvin方程：

水泡的产生与变化
其中，Pr 和P 分别为小液滴与平液面的饱和蒸气压，M是液体的分子量，r 和g 分别为液体的密度和表面张力，r是空气泡的半径，但因为是凹液面，因此它应该取负值。R和T分别是气体常数和绝对温度。 每个气泡因为大小不同，内部的饱和蒸汽压不同，半径越小，对于实为凹表面的空气泡而言，饱和蒸汽压就比平表面的要小。气泡的半径越小，饱和蒸汽压就越低。因空气泡的尺寸不同，因此蒸发到各种尺寸气泡中的水汽含量也不一样。
当水温升高时，气泡周围的水在气泡内蒸发量增加，同时热胀冷缩也使气泡受热膨胀而增大体积。当变大的气泡所受到的浮力超过了器壁对其的吸附力时，它们就要离开器壁上升。
在烧水初期，容器底部温度与上部温度温差较大，形成的温度梯度很明显。气泡在上升的途中，由于容器上部的温度较低，气体体积会遇冷收缩而变小，同时受温度降低的影响，水的蒸汽压也降低，这也会使一部分气态水冷凝为液体；再则，气泡变小，也使其饱和蒸汽压进一步降低，使更多的水从气态中冷凝至液态。这样，气泡的体积在上升途中会越变越小，但因为有空气存在，因此它不会被灭。变小的气泡浮力也随之减弱，水下产生的流体静压力随气泡的上升虽然也在逐步减小，但其作用不如浮力减小得多，因此气泡初期上升的速率随上升的高度而变慢。
较大的气泡因先超临界浮力而脱离器壁跑了。当温度进一步升高时，那些还留在器壁上原本看不见的更小的小气泡变大了，其中水蒸汽的量也开始变多，气泡变得更大。当容器下部受热达到沸点时，初期能吸附空气泡的那些粗糙的表面开始产生新的水蒸汽泡。这些新生气泡在上浮过程中，由于体系温度已趋于均匀，因此，回凝的水蒸汽也很少，气泡就不再会明显变小。在气泡上升途中，如果遇到更小的气泡还会兼容并蓄地把更小的气泡给灭了，使自身的体积变大。这个原因可以用下式来说明：
水泡的产生与变化
其中D P 表示气泡中由液体表面张力所产生的指向气泡内部的附加压力。可见，越小的气泡向内的附加压力就越大，因此如果有大小两个气泡会面的话，小气泡就会迅速自取灭亡向大气泡转移。
气泡上升时压强变小也会使气泡体积变大。但这个因素实在不足挂齿。变大的含有空气的气泡会促使水汽进一步蒸发，使之变得更大，直至这些气泡到达水面破裂为止。
有些人在解释这些现象时会说，气泡是水加热达到沸点变成气体而形成气泡的。其实，初生一个水蒸汽泡其实非常困难。由于气泡中存在着表面张力引起的向内的附加压力，且这个附加压力与气泡的半径成反比，初生的气泡尺寸非常小，因此其附加压力就会特别大。而沸点是和压力有关的，它可以通过Clausius–Clapeyron方程来计算：
水泡的产生与变化
而P2=P1+D P，可见气泡的半径越小，附加压力越大，对应的泡压也越大，因此，其沸点也越高。正常沸点是平面的沸点，例如水沸点100℃就是对应平整表面1个大气压的。尺寸较大的气泡对沸点的影响微乎其微，例如，半径在33微米以上的气泡，其沸点提高不到1℃。但如果气泡半径降低为1微米，其中液体的沸点就将提高37℃！而初生的气泡大小与表面粗糙度也有关系，如果器壁特别光滑，初生一个纳米级气泡的压力就会超过1000个大气压！这时它要沸腾的话，需要达到530℃！
因此，在用器壁特别光滑的容器烧水时可要小心，表面液体早已超过沸点了，大量的液体已经在挥发，但你却看不到沸腾——沸腾是气泡大量生成而上浮，容器中液体强烈对流的一种现象——而贸然用手去取的话，液体受扰形成的爆沸将瞬间将你的手烫伤！

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