羅燭紅

(青海湟川中學(xué) 青海 西寧 810008)

在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)只要給裝有水的容器加熱升溫，當(dāng)溫度超過水的沸點(diǎn)時(shí)，水就會產(chǎn)生沸騰．在實(shí)際教學(xué)過程中，教師和學(xué)生也探討有無辦法在溫度接近或超過水的沸點(diǎn)后，讓水不發(fā)生沸騰．本文從對應(yīng)態(tài)方程出發(fā)，先分析水沸騰的原因，然后提出即使在溫度超過水沸點(diǎn)情況下水也可能不發(fā)生沸騰的物理?xiàng)l件．

1 引言

對應(yīng)態(tài)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(jié)果，下面簡要地寫出其推導(dǎo)過程和對應(yīng)態(tài)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(qiáng)、體積、溫度和物質(zhì)的摩爾量，a和b是由實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)．

在溫度T取常數(shù)時(shí)，從上述方程可以得到壓強(qiáng)P作為體積V的函數(shù)

(2)

Vc=3nb

(3)

各種物質(zhì)的物態(tài)方程可以統(tǒng)一用該式描述，也因此將此關(guān)系式稱為對應(yīng)態(tài)定律．

2 利用對應(yīng)態(tài)定律分析水的沸騰

圖1 對應(yīng)態(tài)方程的T*，V*和P*的關(guān)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(qiáng)217.6 atm[2]，故在常溫常壓下，水處于氣液共存區(qū)域，液態(tài)水和水蒸氣達(dá)到平衡．圖2給出了水在臨界溫度時(shí)的對應(yīng)態(tài)方程的壓強(qiáng)和體積的關(guān)系．對于裝有水的密閉容器，我們認(rèn)為密閉容器的體積不變，故對于水的狀態(tài)變化一定為等體積過程．下面利用對應(yīng)態(tài)方程說明日常生活中在升溫時(shí)水發(fā)生沸騰的原因．

圖2 水在臨界溫度時(shí)的壓強(qiáng)P*和體積V*的關(guān)系

在實(shí)際情況中，固定容器中盛有水，同時(shí)容器中又含有水蒸氣，水通常處于氣液共存區(qū)域，而且液態(tài)水和氣態(tài)水處于平衡．正如日常生活經(jīng)驗(yàn)所知，當(dāng)升高溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，大量水會變成氣態(tài)，氣態(tài)的水以氣泡形式在液態(tài)水中破裂從而發(fā)生沸騰．日常生活中水沸騰的實(shí)例也給出水的沸點(diǎn)會隨外界壓強(qiáng)的減小而減?。旅孢M(jìn)一步說明沸點(diǎn)隨壓強(qiáng)具有這種變化特性的原因．從沸點(diǎn)的定義知，沸點(diǎn)是指某壓強(qiáng)下液相與氣液共存相交點(diǎn)處的溫度，因此不同壓強(qiáng)下將有不同的沸點(diǎn)值．按照對應(yīng)態(tài)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(qiáng)下水沸點(diǎn)的變化情況，可以從圖中看到沸點(diǎn)沿沸騰曲線是隨著壓強(qiáng)減小而減小的．這種情況在實(shí)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(qiáng)比內(nèi)地小，燒開水時(shí)水的沸點(diǎn)比內(nèi)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(tài)處于圖2中的c點(diǎn)，若升溫，由于體積不變，水的狀態(tài)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(qū)域進(jìn)入氣體區(qū)域，最終全部變?yōu)闅鈶B(tài)．對于第二種情況，水的狀態(tài)處于圖2中的b點(diǎn)，若升溫，由于體積不變，水的狀態(tài)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(qū)域先全部變?yōu)橐簯B(tài)水，再變?yōu)闅鈶B(tài)，顯然這個(gè)過程不同于前一種情況，盡管溫度升高，但水卻會先變?yōu)橐簯B(tài)，最后才變?yōu)闅鈶B(tài)．但是對于這兩種情況，升溫時(shí)水都會從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，這說明在固定體積容器中，升高溫度到一定值時(shí)水都會產(chǎn)生沸騰．

然而，在固定容器中，升高溫度到沸點(diǎn)時(shí)水可以不產(chǎn)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(rèn)為水蒸氣很少的情況下，水的狀態(tài)處于圖2中的a點(diǎn)，若升溫，由于體積不變，水的狀態(tài)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(tài)區(qū)域而不會進(jìn)入氣體區(qū)域或氣液共存區(qū)域，這時(shí)固定容器中的水在溫度高于或遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)時(shí)都不會發(fā)生沸騰．這里指出，盡管由于缺少汽化中心將導(dǎo)致過熱液體，但與本文中的討論無關(guān)．

3 結(jié)論

實(shí)際情況下水和水蒸氣共同存在，在體積不變時(shí)，升高溫度到相應(yīng)的沸點(diǎn)，水都會沸騰．但是當(dāng)體積遠(yuǎn)小于臨界體積且容積內(nèi)水蒸氣很少時(shí)，溫度達(dá)到沸點(diǎn)或高于沸點(diǎn)，水仍處于液態(tài)，從而不會發(fā)生沸騰．

參考文獻(xiàn)

1 汪志誠. 熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)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(xué)(第二版). 北京：高等教育出版社，2005. 49～52

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