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沸騰現象

94/05/11 18238

柯賢文｜中山科學院材料暨光電研究所

蒸發與沸騰

純物質都有一定的蒸汽壓，溫度越高，蒸汽壓力越大，例如水在攝氏25度的室溫下，它的蒸汽壓相當於23.8毫米汞柱產生的壓力或23.8托爾（torr），而沸騰就是發生在蒸汽壓等於外在大氣壓的時候。蒸發和沸騰不一樣，最顯著的差異就是前者只有液面的分子跳脫至氣相，肉眼是看不見的，沸騰則大都可以看到汽泡由下往上升。

沸騰過程

廚房用的水壺大都是不透明的，看不到水的沸騰，為了觀察水的沸騰過程，就得規矩地走入實驗室使用玻璃燒杯。當燒杯的水溫上升時，首先觀察到的就是溶在水中的空氣開始在杯底的一些位置成核，形成小氣泡，然後成長。小氣泡逐漸長大而緩緩上升，並可能在途中和其他小氣泡結合成大氣泡，終於到達水面而破裂。

在正常的1大氣壓下，當水溫到達攝氏100度時，水面的蒸汽壓相等於大氣壓，即學理上所稱的正常沸點，這時我們並沒有觀察到煮開水的氣泡激烈翻騰。沸騰並非一定要在攝氏100度下發生，實際上當外在壓力低於1大氣壓時，在不到攝氏100度下，水的蒸汽壓就可以達到外在的壓力而沸騰。因此在高山上空氣不到1大氣壓，水雖沸騰了，但水溫低於攝氏100度，米也不易煮熟。

外在的大氣雖然是1大氣壓，但加上水柱的壓力卻使杯底的水壓大於1大氣壓，攝氏100度的溫度並不足以使其沸騰，即使在略高於攝氏100度之下仍不沸騰，這時的水是處在過熱狀態。當溫度逐漸上升，杯底的溫度超過攝氏100度時，水的氣泡就如同上述溶於水中的空氣，小氣泡逐漸長大而緩緩上升，並在途中和其他小氣泡結合成大氣泡。這種氣泡在上升的過程中，因上層的水溫較低，氣泡會被凝結成水，產生內爆的現象。

由於氣泡凝結成水是一種放熱反應，再加上水的對流，上層的水溫也因而提升，終使壺中的水達到均勻的溫度。逐漸地，杯底或壺底的氣泡不會在途中因凝結而成水，這些氣泡可以一路無阻地上升到水面，終於看到水開了。溫度再稍微升高，產生氣泡的速率更快。在到達水面的過程中，氣泡直線排隊悠悠而上，聲音也更為響亮。

膜沸騰

上述的現象稱為核沸騰，如果只是煮開水，故事到這就可以結束了。再下去的實驗漸漸具有危險性，玻璃燒杯或廚房的水壺都不再適用，實驗必須在有防護的情況下進行。溫度的繼續上升使壺底充滿了蒸汽，它存在於壺底和水相之間，厚度僅約0.1～0.2毫米，因此稱為膜沸騰。蒸汽的熱傳導係數遠比液體差，水溫的上升於是變得很慢，因此水的加熱須依賴壺底的輻射作用。

跳躍的水滴

這種壺底充滿蒸汽的現象，不易在煮開水的過程中觀察到，但在廚房烹炒時是可以看到的。中國料理為了保留菜餚的口感及原味，往往需要熱炒，那麼廚師如何知道鍋子的油已經夠熱了呢？一般的做法是看到油開始冒煙就知道油已經很熱了，當溫度高過所謂的冒煙點後，表示油已經開始裂解，這對人體的健康和敏感的口味都不是一件好事。常用植物油的冒煙點約在攝氏210～250度之間，而動物油則在攝氏190度左右，油炸的溫度則在攝氏180～190度之間。

好的廚師憑經驗即可判斷鍋的熱度，但也可以先灑一點水在鍋子中，如果還不夠熱，水會擴散在鍋面上，熱量會很快傳至水滴而使它蒸發。如果鍋子夠熱，部分水滴瞬間蒸發，於是在水滴和鍋面之間產生一層蒸汽，由於它們之間的傳熱變差，水滴可以存活一段時間，因而在鍋內激烈跳躍，維持數秒鐘或更久。這時廚師就知道鍋子已經夠熱，可以進行菜餚的烹調了。

為了更具體地探索這種現象，可以使用一毛細管來控制水滴，經由毛細管的水滴有一定的大小。觀察的方法是把這些水滴落在一加熱的熱盤上，然後測量水滴消失的時間。在熱盤溫度低於攝氏約150度時，水滴很快地潤濕熱盤並迅速消失，它在熱盤上存活的時間隨溫度的升高而縮短。但熱盤的溫度超過攝氏約200度時，水滴開始在熱盤上跳躍，它存活的時間反而隨溫度的上升而更長久。當熱盤的溫度上升到攝氏約220度時，水滴的存活時間達到顛峰，但視水滴的大小而有差異。這時若溫度繼續上升，水滴存活的時間又會慢慢地縮短。

萊登弗斯特的實驗

煮開水既然是一件日常生活瑣事，但科學家的好奇心，使勃哈（H. Boerhaave）早在1732年就在實驗中，發現水滴在高溫下反而可以存活更久的奇怪現象，只是不知其所以然。1756年萊登弗斯特（J. G. Leidenfrost）做出更具體的科學化實驗，他把鐵湯匙在火爐上加熱至紅熱，然後把水滴在其上。第1滴水可以存活約30秒，但紅熱的湯匙也因散熱而變暗。第2滴水存活約10秒，第3滴水存活得更短，直至水滴只能潤濕湯匙而且快速消失。

當時萊登弗斯特並沒有注意到當水滴落在紅熱的湯匙上時，二者之間產生一蒸汽的阻隔層，但後人為了感念他的實驗觀察，就把水滴在熱盤上存活最久的溫度，稱為萊登弗斯特溫度（Leidenfrost point）。

驚人的表演

早在20世紀初，歐洲有一演藝團的驚人表演，表演者把手指伸入熔化的鉛爐，大家驚訝地發現他既不疼痛也沒受傷。如果爐中不是水銀而確是熔化的鉛，推想這位膽大的藝人必先把手潤濕或因緊張而手流冷汗，由於水的急速蒸發產生一氣體阻隔層，使高溫熔化的鉛不易傳熱至他的手指。在這種情況下，手指可以插入熔化的鉛爐很短的時間而不致受傷。

讀者不必用自己的手指做實驗，太危險了，香腸是一個理想的替代品。乾的香腸置入熔化的鉛爐時，表皮很快就被燒焦，但潤濕的香腸則否。

實驗室裡常用液態氮來冷卻，在過程中，常由於急速沸騰而四處濺散，這時往往會濺在手上。照常理想像，手一定會被攝氏零下196度的液態氮凍傷，但常常是毫髮未傷。這又是Leidenfrost現象的另一種表徵，就好像水滴落在熱盤上一樣。

很多廟會或宗教的狂熱慶典中，常見的高潮項目之一就是赤腳跳炭火，稱為過火。過火的方式是由乩童導引抬轎者，繞著用金紙或木炭堆積的火堆數圈，接著依序跳過火堆，一邊過火、一邊有人在旁灑鹽粒以降低火的溫度。其中一個可能的原因也許是，過火時，抬轎者必然已滿頭大汗，腳底也潮濕了，熱火使腳底的水分迅速蒸發，產生一層隔熱的氣體薄層，這又是另一種萊登弗斯特現象的具體表徵。

了解了特殊的沸騰現象，以後看到賣藝人的大膽表演就不必太過驚奇了。

資料來源

《科學發展》2005年5月，389期，64 ~ 67頁

科發月刊(5210)

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