关于水沸腾现象的分析讨论

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1、关于水沸腾现象的分析讨论摘要：本文以水沸腾过程中的气泡为研究对象，从气泡产生、衰亡及?馀蔚魑?汽化核的作用进行讨论，接着结合气泡中的几个压强分析水的沸腾过程，得出水沸腾的条件：气泡内的饱和蒸汽压与外界压强相等。关键词：相变沸腾饱和蒸汽压弯曲表面的附加压强过热液体中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号:1003-9082（2017）03-0281-01一、引言沸腾是液体在一定温度（沸点）下才能发生的汽化现象，属于一级相变，发生时有体积变化同时要吸收热量。微观上看，它是分子热运动剧烈到足够挣脱范德瓦尔兹力的束缚成为“自由”的气体分子的过程，沸腾时液体表

2、面和内部同时发生汽化，会更大程度的降低液体能量。当液体（水）发生沸腾时，液体内部不断冒出气泡，升至水面，然后破裂。生活中看起来很形象，但教学中学生理解起来较为抽象困难，所以本文就以水沸腾过程中的气泡为研宄对象，从气泡产生、衰亡及气泡作为汽化核［1］的作用进行讨论，并结合气泡中的几个压强简化分析沸腾过程。二、水沸腾现象解释1.汽化核及其作用1.1汽化核沸腾中单个气泡的生命周期可概括分为1）汽核生成；2）初期长大；3）中期长大；4）终止期长大;5）可能的萎缩几个阶段：汽核生成是在分子等级上一个刚刚超过热力平衡的小气泡（核）的形成过程。汽核生成以后，初期长大受

3、到惯性效应和表面张力效应的支配。开始时气泡长大的速率很小，但随着气泡尺寸的增大，由于表面张力的作用，而使长大速率增大，在加速长大的中期长大阶段，传热的影响变得越来越大，而惯性力的影响开始减小，当长大过程到达终止期，它受周围液体传热所支配，这加剧了气泡交界面的蒸发，如果气泡在长大过程中碰到冰冷液体就会萎缩，气泡萎缩过程中起支配作用的诸现象与长大过程基本相逆。要使汽核生成或者一个汽核存活下去，基本条件是液体要过热。有两种成核的形式：一种是在纯液体中形成的汽核，它可以是由液体分子的热力波动所产生的高能量分子群，或者由于局部压力降低（如流体加速运动中出现的）而造

4、成的汽穴。另一种是在异物上形成的气泡，可以是加热壁面上一个凹坑或者表面未湿润的悬浮物。1.2汽化核的作用沸腾时，液体内部和器壁上的小气泡起着所谓汽化核的作用，它使周围液体在其中汽化，久经煮沸的液体，因为缺乏气泡作为汽化核，所以加热到沸点以上还不沸腾，这种液体称为过热液体。过热液体不稳定，如果偶然有一粒沙子被投入，就引进了汽化核。随着液体汽化的开始，液体被扰动，更多的汽化核产生，突然发生沸腾，原来过高的温度降到沸点，液体释放出大量的热促使汽化更加猛烈，引起暴沸。为了避免暴沸[2]，锅炉或烧瓶中的水在加热前，应加进一些溶有空气的水或者放进一些吸附有空气的陶瓷

5、片等以提供汽化核。2.气泡一般来说，液体的内部和器壁的空隙之中都含有大量的空气，这些空气在液体中形成许多微小的气泡[3],气泡由于液体表面张力的作用而成球形，气泡内部的蒸汽由于液体不断蒸发，总是处于饱和状态，当把液体加热时，泡内空气的压强不断增大，加上液体和汽泡分界面上，液体不断向泡内蒸发，泡内蒸汽的饱和蒸汽压也不断加大，结果使气泡的体积不断胀大，起初附在容器壁以及杂质颗粒上的气泡，随着温度的升高体积不断胀大，直到气泡所受的浮力大于气泡与器壁或杂质颗粒的附着力时，气泡便离开器壁或杂质颗粒上浮。沸腾开始前一段时间，容器壁上会出现小气泡，而不出现在液体中，这

6、是因为加热的过程是通过器壁传热的，靠近器壁的液体温度上升得比中间液体快，在器壁上形成气泡比中间早，而由于有附着力向下，当气泡体积还不够大的时候，受到的浮力小于向下的附着力，气泡只好贴在容器表面。