【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)6677版』，此版叢書(shū)是“數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書(shū)共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書(shū)是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書(shū)卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫(xiě)的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)』其實(shí)還有新版，即80年代的改開(kāi)版，改開(kāi)版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開(kāi)版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書(shū)6677版』上傳成文字版。

第七章物態(tài)的變化

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的?！?

§7-10沸騰

【01】前面已經(jīng)講過(guò)，蒸發(fā)是液體汽化的一種方式?，F(xiàn)在我們來(lái)講，液體汽化的另一種方式——沸騰。

【02】讓我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)仔細(xì)觀察沸騰現(xiàn)象。

【03】把水裝在燒瓶里加熱，就可以看到在瓶底和瓶壁上產(chǎn)生許多小汽泡。這些小汽泡是瓶?jī)?nèi)壁所吸附的空氣分離出來(lái)的。由于小汽泡周圍都是水，水就要向汽泡里不斷地蒸發(fā)。小汽泡的體積很小，里面的汽很快就達(dá)到了飽和狀態(tài)，所以汽泡里除了空氣以外還有飽和的水汽。如圖7·16所示，當(dāng)水的溫度繼續(xù)升高，小汽泡里的飽和汽壓也就逐漸增大，于是它的體積也隨著而增大。這時(shí)由于水對(duì)汽泡的浮力作用，小汽泡就會(huì)脫離瓶底和瓶壁而上升（圖7·16(a)）。同時(shí)，遺留在底面上的少量空氣，重新又生成一個(gè)新的小汽泡（圖7·16(b)），這個(gè)小汽泡也會(huì)逐漸變大而上升，而且它的變化過(guò)程此前一個(gè)小汽泡還要快。因?yàn)樗臏囟仍絹?lái)越高，所以水向汽泡里蒸發(fā)的速度也就越來(lái)越快了。

【04】當(dāng)這些汽泡脫離器壁或器底上升以后，它們的體積又會(huì)重新減?。▓D7·16(c)），因?yàn)檫@些汽泡里所含有的水汽，在上升到溫度較低的上面水層時(shí)，又要凝結(jié)成水，于是汽泡的體積就縮小。燒水時(shí)常常聽(tīng)到“呼呼”的響聲，就是由于氣泡體積交替著膨脹和縮小所發(fā)出的。

【05】加熱時(shí)間越長(zhǎng)，水的溫度越高，汽泡里的飽和汽壓也越大。等到水的溫度升高到一定的程度時(shí)，汽泡內(nèi)的飽和汽壓會(huì)升高到與外部壓強(qiáng)相等，這時(shí)整個(gè)水層已處在同一溫度下，于是汽泡在上升過(guò)程中就不會(huì)再發(fā)生水汽凝結(jié)和體積縮小的現(xiàn)象。同時(shí)由于溫度升高，周圍的水迅速地向泡里蒸發(fā)，汽泡的體積在上升過(guò)程中就不斷地增大（圖7·16(d)）。最后升到水面時(shí)裂開(kāi)，放出大量蒸汽，這時(shí)瓶里全部的水就上下翻騰，滾動(dòng)不息。這種現(xiàn)象就是沸騰。

【06】根據(jù)觀察結(jié)果可以知道，沸騰是一種液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行的汽化現(xiàn)象。液體在沸騰的時(shí)候，它的飽和汽壓跟外部壓強(qiáng)相等。

【07】在飽和汽的性質(zhì)中，我們已經(jīng)講過(guò)液體的飽和汽壓隨著溫度的改變而改變。因此，任何一種液體只有在一定的溫度下才能沸騰，也就是說(shuō)只有在它的飽和汽壓與外部壓強(qiáng)相等時(shí)，才會(huì)沸騰。我們通常把液體沸騰時(shí)的溫度叫做這種液體的沸點(diǎn)。各種液體有一定的沸點(diǎn)。

【08】對(duì)液體沸點(diǎn)進(jìn)行的研究具有很大的實(shí)際意義，下面我們就來(lái)討論一些有關(guān)液體沸點(diǎn)的問(wèn)題。

1、沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系

【09】我們已經(jīng)知道液體的沸點(diǎn)跟外部壓強(qiáng)有關(guān)。因此，我們很容易想到：當(dāng)液體所受的壓強(qiáng)增大時(shí)，它的沸點(diǎn)升高；壓強(qiáng)減小時(shí)，沸點(diǎn)降低。

【10】我們也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這一事實(shí)。

【11】如圖7·17所示，把一杯溫度在 80°C 左右的水放在抽氣機(jī)的玻璃罩里，當(dāng)罩里的空氣被抽到一定程度時(shí)，杯里的水開(kāi)始沸騰了。這說(shuō)明，當(dāng)罩里的氣壓降低時(shí)，水能夠在比 100°C 低得多的溫度下沸騰。

【12】我們也可以這樣來(lái)做實(shí)驗(yàn)。在圖7·18的裝置里，當(dāng)水沸騰后，取去酒精燈，沸騰現(xiàn)象就停止了。然后取下燒瓶，用橡皮塞塞緊瓶口，倒置在架上，用冷水澆瓶底，就會(huì)看到燒瓶里的水又沸騰起來(lái)。這是因?yàn)槠坷锏乃Y(jié)后，壓強(qiáng)減小，水的沸點(diǎn)也就降低了，這個(gè)現(xiàn)象也稱為復(fù)沸騰現(xiàn)象。從上面的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，可以證實(shí)，當(dāng)外部壓強(qiáng)減小時(shí)，液體的沸點(diǎn)就會(huì)降低。相反，當(dāng)外面的壓強(qiáng)增大時(shí)，液體的沸點(diǎn)就會(huì)上升，例如蒸汽鍋爐里的蒸汽壓強(qiáng)，可以有幾十個(gè)大氣壓，鍋爐里的水的沸點(diǎn)可以在 200℃ 以上。實(shí)驗(yàn)室中常用一種壓力鍋來(lái)提高沸點(diǎn)，它的外形如圖7·19所示。鍋用厚銅板制成，它的蓋用螺絲釘旋緊，蓋上連有一個(gè)安全閥。在鍋內(nèi)盛水后，旋緊鍋蓋，并在鍋下加熱。因?yàn)樗荒苄钩?，所以沸騰溫度就要提高。醫(yī)院中也常常使用高壓消毒鍋來(lái)消毒殺菌。

【13】我們又知道在山上蒸飯，水容易沸騰，而飯不容易熟，這是由于大氣壓隨著地勢(shì)的升高而逐漸減小，所以水的沸點(diǎn)也隨著高度的升高而逐漸下降。譬如在拔海 1900 米的地方，大氣壓強(qiáng)約為 600 毫米高水銀柱，水的沸點(diǎn)是 93.5℃? 。所以在高山頂上燒飯，水雖然容易沸騰，而飯卻不容易煮熟。為了煮熟食物，山地居民經(jīng)常在緊密的鍋蓋上加添大石頭，使鍋內(nèi)的汽壓增加，從而提高水的沸點(diǎn)。

【14】從具體測(cè)量中知道，水的沸騰點(diǎn)每降低 1°C? 。相應(yīng)地壓強(qiáng)降低了 27 毫米高水銀柱，也就是相當(dāng)于從海平面豎直上升了 297 米左右。圖7·20的圖線表示水的沸點(diǎn)跟距離海平面高度的關(guān)系。這樣，我們就得到了測(cè)量大氣壓強(qiáng)和高度的新方法。只要先測(cè)出液體的沸點(diǎn)，就能夠計(jì)算出大氣壓強(qiáng)和高度。沸點(diǎn)測(cè)高器就是應(yīng)用這個(gè)原理制成的。

【15】物質(zhì)的沸點(diǎn)隨著外部壓強(qiáng)的變化而變化的規(guī)律在生產(chǎn)技術(shù)上也起著很大的作用。在化學(xué)工業(yè)中，如果在高溫下蒸餾某些物質(zhì)，就會(huì)引起這些物質(zhì)分解，這時(shí)要采用減壓蒸餾或真空蒸餾的方法，也就是減小液面上的壓強(qiáng)，使沸點(diǎn)降低，從而使液體很快地汽化的方法。真空蒸餾是一種使液面的汽壓小到接近于真空的方法。在食品工業(yè)中，例如奶粉廠，要想把牛奶中的水分通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程來(lái)干燥，但又要不破壞奶粉中的營(yíng)養(yǎng)成分，就必須采用真空蒸餾的方法。這樣在較低的溫度下，就可以把水分蒸發(fā)干了。在治金工業(yè)中，也常常采用所謂真空治煉方法。采用這個(gè)方法不僅可以使治煉溫度降低好幾百度，還可以大大地改善金屬的性能，使可能包含在金屬中的氣體跑出來(lái)，從而得到?jīng)]有汽孔的金屬。

2、各種物質(zhì)的沸點(diǎn)不同

【16】在相同的大氣壓下，各種液體的沸點(diǎn)差別很大，這可以從表7·5中看出。

【17】為什么各種物質(zhì)的沸點(diǎn)相差這么大呢？在前面的討論中，我們已經(jīng)知道飽和汽的壓強(qiáng)和液體的種類有關(guān)。在一定的溫度下，各種液體的飽和汽壓也是一定的。例如乙醚在 20℃ 時(shí)飽和汽壓為 44 厘米高水銀柱，比大氣壓的一半還要大，因此只要將溫度略微升高，就能使乙醚的飽和汽壓與大氣壓強(qiáng)相等，所以乙醚加熱到 35°C 時(shí)就沸騰了。但是有些物質(zhì)在室溫時(shí)，它的飽和汽壓很小。例如水銀在 20°C 時(shí)，飽和汽壓為 0.0018，要到 357°C 時(shí)，它的飽和汽壓才能跟大氣壓相同，也就是說(shuō)要在 357°C 時(shí)它才沸騰。正是由于這個(gè)原因，所以各種物質(zhì)的沸點(diǎn)不同。

【18】各種物質(zhì)具有不同的沸點(diǎn)這一事實(shí)，在化學(xué)工業(yè)上也有很大的用處。例如，石油中含有汽油、煤油和其他較重的礦物油，怎樣才能把它們彼此分開(kāi)呢？我們就對(duì)石油進(jìn)行加熱，這時(shí)首先汽化出來(lái)的是沸點(diǎn)低的汽油，然后才是煤油、柴油、重油等。這樣就可以把汽油和其他較重的礦物油分離開(kāi)來(lái)，這種方法叫做石油分餾法。酒精的提純，也是根據(jù)酒精和水的沸點(diǎn)不同這一原理來(lái)進(jìn)行的。

3、液體中含有的雜質(zhì)對(duì)液體沸點(diǎn)的影響

【19】雜質(zhì)對(duì)液體沸點(diǎn)的影響和對(duì)熔點(diǎn)的影響情況很相似。液體中含有溶質(zhì)后它的沸點(diǎn)要比純凈的液體高。這是由于存在溶質(zhì)后，液體分子之間的引力增加了，液體就不容易汽化，飽和汽壓也比較小。要使飽和汽壓達(dá)到大氣壓強(qiáng)，就必須提高沸點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)知道液體中所含的有機(jī)物越多，沸點(diǎn)也越高。如果在液體中加入一些酸堿鹽類，它的沸點(diǎn)就要升得更高一些。煮食物時(shí)，加一些鹽，沸點(diǎn)提高，食物就容易煮熟、煮爛。

【20】但是也有這樣的情況，在我們觀察沸騰的時(shí)侯，可以看到液體中的空氣泡是沸騰開(kāi)始時(shí)的中心。周圍的水要向氣泡內(nèi)蒸發(fā)，使它的體積逐漸增大，引起沸騰.如果液體非常純潔，里面沒(méi)有任何雜質(zhì)和空氣泡，或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沸騰后，它里面的空氣已經(jīng)放盡，那么，即使加熱到 100°C 以上，它可能還不開(kāi)始沸騰，或者停止沸騰。因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)沒(méi)有空氣泡了，而且水也不能再向小汽泡里蒸發(fā)，這種液體叫做過(guò)熱液體。過(guò)熱液體是否再也不沸騰呢？實(shí)驗(yàn)指出：過(guò)熱液體雖然缺少小汽泡，但是有的分子具有足夠的能量，能夠彼此相推，在分子間形成極小的汽泡，這種小汽泡的體積只比液體分子間距離稍大，因此它內(nèi)部的汽壓很小，但是，當(dāng)對(duì)過(guò)熱液體繼續(xù)加熱，使溫度高于沸點(diǎn)時(shí)，小汽泡中的飽和汽壓就迅速增大，汽泡也迅速膨脹，過(guò)熱液體就要驟然沸騰。同樣，在過(guò)熱液體中投入一些附有空氣的固體微?；驍噭?dòng)液體，液體也會(huì)立刻沸騰起來(lái)。過(guò)熱液體沸騰時(shí)，其勢(shì)非常猛烈，溫度仍回到 100℃，這種沸騰通常叫做暴發(fā)沸騰。暴發(fā)沸騰是非常危險(xiǎn)的，有時(shí)甚至?xí)鹫羝仩t的爆炸，因此要經(jīng)常注意防止暴發(fā)沸騰。為了防止暴發(fā)沸騰，在一些有機(jī)物進(jìn)行蒸餾時(shí)，經(jīng)常在鍋爐里預(yù)先投入一些附有空氣的固體碎粒，如玻璃碎片或其他碎屑以避免產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。

習(xí)題7-10

1、沸騰與蒸發(fā)有什么區(qū)別？

2、在很高的山上為什么不能用普通的水壺煮熟馬鈴薯？在氣壓是 60.5 厘米高水銀柱的山頂上，水的沸點(diǎn)是多少？

3、在糖果廠里，必須在 100℃ 以下的溫度把糖漿里的水分蒸發(fā)掉(不然糖就要燒焦)，這需要用什么方法才行？

4、什么叫做減壓蒸餾？它在工業(yè)技術(shù)上有什么實(shí)際應(yīng)用？

5、沸點(diǎn)為什么與所受的壓強(qiáng)有關(guān)？

6、什么叫做過(guò)熱液體？什么叫做暴發(fā)沸騰？怎樣來(lái)防止液體的過(guò)熱現(xiàn)象？

7、石油蒸餾是應(yīng)用什么原理來(lái)進(jìn)行的？