打个响指就让能水一秒沸腾,这是不是降世神通的技能?

来源: 把科学带回家

发布日期: 2018-07-20

本文介绍了一种通过微波炉加热纯净水至过热状态,并通过添加方糖触发瞬间沸腾的科学实验。实验展示了过热现象的原理,即液体达到沸点但不沸腾的现象,以及如何通过添加成核位点来防止过热。

打个响指就让能水一秒沸腾,这是不是降世神通的技能?看过动漫《降世神通》的截水神功吗?就是让水可以按照你的意志运动的那种本领。这似乎违反物理学了,但是今天教你一招方便易学的“截水特技”,学会了之后,你就可以控制沸水,让它只在你的指令下沸腾。这样,你就可以在同学面前表演,打一个响指就能让水一秒沸腾的“魔术”了。关键概念过热。

材料和操作:一个比较光滑的玻璃杯,最好是新杯子,微波炉,没有气泡的水,防热手套(烤箱用的那种),方糖/砂糖/盐都可以。注意:这个实验有一定的危险性,一定要在成年人的看护下进行。如果你害怕受伤,那就不要亲自操作了,看下面的动图吧。这个实验的操作很简单。用一个比较光滑的杯子,最好是新杯子,装上半杯纯净水。把杯子放到微波炉里,加热8分钟。注意加热完毕后不要直接用手去拿杯子,也不要把杯子从微波炉里取出。

戴上烤箱的防热手套,小心翼翼地用筷子或者勺子把方糖放到杯子里,同时打一个响指,你就可以让水一秒沸腾啦!用铅笔——用方糖——用菜刀——用冰棍——原理你观察到的这个现象叫做过热(superheating),也叫沸腾延迟,是液体到了沸点但不沸腾,或延迟沸腾的现象。用微波炉把纯净水加热太长时间的时候就容易出现过热,特别是你在使用新买的茶杯或碗的情况下。

过热现象产生的主要原因是,要形成沸腾的气泡,就必须要跨越自由能垒(free-energy barriers)。用人话说就是,你看见的沸腾的气泡,它们不是凭空产生的,而是借助水里本来就有的小气泡形成的。这些可以变成大气泡的小气泡,叫做成核位点(nucleation sites),它们往往是贴杯壁上的那些空气囊。

你的皮肤表面并不平滑,有很多缝隙,里面的小气泡就是成核位点,所以手指放到汽水里面以后,手指上会出现大量气泡。新的杯子和碗的表面比较光滑,小的气泡无法镶嵌在上面,因此缺乏形成气泡所需的成核位点。缺乏成核位点,就很难形成气泡,也就不易沸腾了。由于不会沸腾,多余的热量无法通过水蒸气散发,因此过热水的实际温度可以超过100摄氏度,相当烫手。

不过,当过热水受到扰动,比如你把它放到嘴边,或是放入勺子搅拌的时候,它就会突然沸腾,对人体造成伤害,所以不要直接用手去拿过热水。为什么用火烧水就不会出现过热呢?微波炉加热水的时候,水是被均匀加热的,上层和下层温差不大;另外,微波炉的器皿一般比较光滑,使气泡难以附着,因此不容易沸腾。

但是用火烧水的时候,容器的底部先被加热,一锅水的上下温度并不均匀,被加热的部分区域会出现过热的情况,热水上升,冷热水混合形成扰动,继而诱发沸腾。其次,你家的铁锅什么的表面并不光滑,容易附着小气泡,它们可以成为成核位点。那么,平时用微波炉煮水的时候,应该怎样防止过热呢?有一个好方法就是在水里放一根木勺,因为木勺表面并不光滑,上面有许多凹痕,气泡可以躲在这些凹痕里带入水中,形成成核位点。

这样在微波炉里加热的时候,水就会正常沸腾了。有过热水,那有没有过冷水呢?你猜对了,实际上,过冷水也是存在的,还可以用来制作酷炫的冰棍,我们之前也介绍过,有兴趣的话点我看一下吧!亲爱的小伙伴们,你有没有尝试“一秒沸腾”?想让更多小伙伴看到你的作品?可以把你拍到的照片发给我们哦~你也可以把孩子的小名一起发过来展示在我们推送中。我们将每月抽一次奖,送一期电子版《环球科学》!

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