如何在室溫下燒開一杯水?

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想在室溫燒開水?甚至想試著把手伸入沸水?這些沒什麼不可能或是不安全,只需要一點點技巧……

圖片來源:Wonderopolis

Rhett Allain撰文,領研網編譯

一些米麪類的包裝上會特意標出高海拔地區的烹煮說明,也就是如果你在丹佛市(Denver,美國科羅拉多州首府,海拔 1609 米)或者登上了珠穆朗瑪峯(Mount Everest)頂,米飯就得稍微多煮一會。

高海拔烹煮說明。圖片來源:wnct.com

當然了,沒人會去珠穆朗瑪峯頂上煮飯,這只是舉個例子而已。但為什麼在高海拔地區煮飯時間就要加長呢?這和在哪煮有什麼關係?要想回答這些問題,就得說一說沸水了。

水的沸點是多少?去大街上隨便找個人問一問,肯定有人會給出標準答案 100°C ——但這還不夠嚴謹。海拔高度每增加 300 米,水的沸點約下降 1℃。也就是說,水的沸點在丹佛市會變成 95℃,從而影響煮飯進程。

這又是為什麼呢?

水的蒸氣壓

水有很多神奇之處,其中一個頗有意思的現象就是,地球上同時存在著水的三種狀態:固態(冰)、液態和氣態。我們將氣態的水稱為水蒸氣(water vapor)。

水不是一種液體,而是兩種?!-領研網?

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要想獲得水蒸氣,就必須把水燒開?這其實是一種錯覺,只需有常溫(或其它任何溫度)下的液態水就夠了。想像一下如果你擁有超視覺(super vision),能微小的把畫面放到很大,你就能發現這些液態水是由分子,即水分子組成的。每個水分子有三個原子:兩個氫原子和一個氧原子。把原子想成是小球,這些小球在水中自由地運動,同時一個分子的三個小球緊抱成團不會分開。這是一種熱運動,並非水流導致。想像一下小球在球堆裏穿梭的場景,水溫越高,小球的運動就越劇烈。而且這還沒結束——水分子運動的速率不盡相同:雖然存在一個平均速度,但是有些速度較快,有些則較慢。就像成年人的身高,雖然存在平均值,但並不是說每個人都一般高,人羣中總有一些超級高的「巨人」,不過 TA 們只是極少數。如果將一杯水靜置在桌子上,水分子不會總處於液體狀態待在杯子裏。其中一些水分子獲得了較高的熱能,能夠脫離液態水自由運動。一旦脫離了液態,這些水分子就變成了氣態——水蒸氣。所以無需加熱至沸點,我們也能得到水蒸氣。但這也沒完!這一過程是可逆的。氣態的水分子也會與液態水作用,從而回到液態。封閉容器(如水瓶)中的水最終會達到氣相與液相的平衡。處於這一平衡態時,水分子從液相中蒸發與凝結形成液相的速率相同,這時液相水錶面水蒸氣的氣壓即為水的蒸氣壓(vapor pressure,假設容器為真空,氣相只有水蒸氣)。你能看到容器壁上凝結的水珠(如下圖所示),這就證明瞭封閉容器中的確存在水蒸氣。

隨著水溫升高,越來越多的水分子獲得足夠的能量,脫離液態水成為水蒸氣。所以水的蒸氣壓會隨溫度的升高而增大(這點十分重要)。沸水中的氣泡現在來看看沸水。下圖展示了水溫被加熱到 100℃ 時的慢鏡頭。你之前肯定看過水沸騰的樣子,但這依然很有意思。那麼經典的問題來了:沸水中的泡泡是由什麼構成的?

是由空氣構成的嗎?是由氫和氧構成的嗎?都不是。這些泡泡其實是水蒸氣——液態水中的氣相小水袋。它們不可能是空氣呀,哪來的空氣呢?所以唯一的解釋是,泡泡由水蒸氣構成。那在這些沸騰的水蒸氣泡是如何形成的呢?這一切都是溫度蒸氣壓的功勞。隨著水溫的升高,水分子熱運動的平均速率也增加了。當溫度足夠高時,氣態水分子運動速率很大,其能量足以撐開周圍的液態水分子形成氣泡。除了溫度,這一過程也與蒸氣壓也有關。為避免破裂,氣泡內外的氣壓應相等,而氣泡內壓是水的蒸氣壓,外壓是水壓。也就是說水如果要沸騰,溫度必須升高到水的蒸氣壓與氣泡外水壓相等,這樣才會形成氣泡。那氣泡外壓與什麼有關呢?第一是水本身的性質。為維持水面不塌陷,深度越深,水壓越大。由此水壓取決於深度、水的密度及重力場(水壓由水的重力造成)。玻璃杯中的水在水面以下2釐米處的水壓僅比大氣壓大 0.2%。第二就是這大氣壓,總水壓的另一組成部分。液態水錶面會受到大氣壓的壓力作用,增加內部壓強。室溫下燒開水接下來這部分很有意思。如果降低施加在液態水上的大氣壓呢?這會降低液態水內部的壓力。而當壓力減小到與水的蒸氣壓相同時,不用升高溫度,水分子的能量就足以形成蒸汽泡了。你甚至能讓水在室溫下就沸騰。當然,你需要一個真空泵和足夠結實的容器——這完全可行。

我用手握了一下這瓶沸水是為了證明它並不燙。相信我,或者你不相信我也行,你自己也可以做到。你需要的只是一根像這樣的大號塑料注射器,往裡面注入一些水,盡量避免混入空氣,然後封住注射端,把水稍稍加熱,就像下圖這樣。

我是用熱熔膠和橡膠塞子(還有樂高積木)封的埠,然後把注射器加熱到約42℃。接下來我向後拉出活塞降低水壓,水就沸騰起來了。

拉動活塞降低水壓還是得費點勁的,也還是能做到的。哦對了,為什麼要稍微加熱呢?因為拉動活塞並不能達到很高的真空度,水沸騰還得需要更高溫度的幫助。在高海拔地區煮飯的時候發生的就是這麼回事。好吧,也不完全相同——沒人拉著那個減小地球氣壓的活塞,是地球引力場幫了我們這個忙。

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