举个栗子:为什么“响水不开,开水不响”?

为什么“响水不开,开水不响”?的头图

俗语有云:“响水不开开水不响”,这是一个大家都感受深刻的现象——在水快要烧开前,容器内总是会发出明显的响声,以前的铁壶更是犹如鸣笛一般,但在水烧开之后却会安静得多。这早已被人们视为理所当然的事情,但你又是否了解其背后的科学原理呢?   

要明白为什么会“响水不开,开水不响”,我们首先需要知道两个简单的物理学常识:1. 空气在水中的溶解度是随着水温的上升而下降的,也就是说,水温越高其所能溶解的空气就越少;2. 水越深压强越大,反之亦然。需要加热的水本身就含有一定量的空气,并且由于容器内壁表面并非完全光滑,也会吸附有少量空气。在烧水过程中,这些空气变成气泡后的不同情形导致了响或不响的不同结果。  

通常情况下,水的沸点是100摄氏度,要将其烧开需要吸收足够的热量,水温的升高是一个渐变的过程。靠近热源的容器底部温度无疑会更高,因此在烧水时会首先在受热面的容器壁上形成许多小气泡。生成气泡后,受热面附近的过热水层会不断向小气泡内加入水蒸气,导致其内部压强增加、体积膨胀、所受浮力增大,当气泡所受浮力大于其与容器壁之间的附着力时就会开始上浮。

在水沸腾之前,容器内不同深度的水层温度并不相同,越靠近受热面附近的水层温度越高,反之越低。气泡在上浮过程中,由于水温会越来越低,再加上泡内部分水蒸气会凝结成饱和蒸汽,导致气泡内压强迅速减小,尽管外部水压也会有所减小,但总体来说仍以前者的减小速度更快。因此,当气泡外压强大于气泡内压强时,上浮的气泡在抵达水面前就会迅速变小和破裂。水温越接近沸点,这种现象就越明显。大量气泡的形成、上浮、然后又缩小破裂的过程使得水内剧烈振荡,发出响声,形成了“响水不开”的现象。   

随着对水的继续加热,以及对流和气泡的热传递作用,使得容器内各水层的温度基本趋于稳定。这样,当气泡脱离容器壁上浮时,其内部的饱和蒸气就不会再凝结,同时外部水压也在减小,整体结果是气泡外压强不会大于气泡内压强,最终使得气泡能够迅速膨胀和上浮,直到接触水面并释放出内部的空气和蒸汽。这时,水开始沸腾被烧开,而因为气泡是在水面才破裂,所以形成的振荡明显减弱,便有了“开水不响”的现象。   

根据上述原理我们可以推论,对于同等质量的水,如果用来加热的热源功率越高,那么“响水”的时间就会越短、响声也就会越大。有兴趣的朋友不妨对比一下柴火灶烧水和电热水壶烧水时“响水”的动静和时长,就能轻松验证这个小推论了。

(作者:邹中林)

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