沸腾中的秘密

纯物质都有一定的蒸汽压，温度越高，蒸汽压力越大，例如水在摄氏25度的室温下，它的蒸汽压相当于23.8毫米汞柱（mmHg）产生的压力为23.8托尔（torr），而沸腾就是发生在蒸汽压等于外在大气压的时候。蒸发和沸腾不一样，最显著的差异就是前者只有液面的分子变为气态，肉眼是看不见的，沸腾则大都可以看到汽泡由下往上升。

　　

　　沸腾过程

　　

　　厨房用的水壶大都是不透明的，看不到水的沸腾，为了观察水的沸腾过程，就得在实验室使用玻璃烧杯。当烧杯的水温上升时，首先观察到的就是溶在水中的空气开始在杯底的一些位置成核，形成小气泡，然后成长。小气泡逐渐长大而缓缓上升，并可能在途中和其他小气泡结合成大气泡，终于到达水面而破裂。

　　在正常的一个大气压下，当水温到达摄氏100度时，水面的蒸汽压相等于大气压，即学理上所称的正常沸点，这时我们并没有观察到煮开水的气泡激烈翻腾。沸腾并非一定要在摄氏100度下发生，实际上当外在压力低于一个大气压时，在不到摄氏100度下，水的蒸汽压就可以达到外在的压力而沸腾。因此在高山上空气不到一个大气压，水虽沸腾了，但水温低于摄氏100度，米也不易煮熟。

　　外在的大气虽然是一个大气压，但加上水的压力却使杯底的水压大于一个大气压，摄氏100度的温度并不足以使其沸腾，即使在略高于摄氏100度之下仍不沸腾，这时的水是处在过热状态。当温度逐渐上升，杯底的温度超过摄氏100度时，水的气泡就如同上述溶于水中的空气，小气泡逐渐长大而缓缓上升，并在途中和其他小气泡结合成大气泡。这种气泡在上升的过程中，因上层的水温较低，气泡会被凝结成水，产生内爆的现象。

　　由于气泡凝结成水是一种放热反应，再加上水的对流，上层的水温也因而提升，终使壶中的水达到均匀的温度。逐渐地，杯底或壶底的气泡不会在途中因凝结而成水，这些气泡可以一路无阻地上升到水面，终于看到水开了。温度再稍微升高，产生气泡的速率更快。在到达水面的过程中，气泡直线排队悠悠而上，声音也更为响亮。

　　

　　炒好菜需要膜沸腾

　　

　　上述的现象称为核沸腾，如果只是煮开水，故事到这就可以结束了。再下去的实验渐渐具有危险性，玻璃烧杯或厨房的水壶都不再适用，实验必须在有防护的情况下进行。温度的继续上升使壶底充满了蒸汽，它存在于壶底和水相之间，厚度仅约0.1-0.2毫米，因此称为膜沸腾。蒸汽的热传导系数远比液体差，水温的上升于是变得很慢，因此水的加热须依赖壶底的辐射作用。

　　这种壶底充满蒸汽的现象，不易在煮开水的过程中观察到，但在厨房烹炒时是可以看到的。中国料理为了保留菜肴的口感及原味，往往需要热炒，那么厨师如何知道锅子的油已经够热了呢？一般的做法是看到油开始冒烟就知道油已经很热了，当温度高过所谓的冒烟点后，表示油已经开始裂解，这对人体的健康和敏感的口味都不是一件好事。常用植物油的冒烟点约在摄氏210-250度之间，而动物油则在摄氏190度左右，油炸的温度则在摄氏180-190度之间。

　　好的厨师凭经验即可判断锅的热度，但也可以先洒一点水在锅中，如果还不够热，水会扩散在锅面上，热量会很快传至水滴而使它蒸发。如果锅够热，部分水滴瞬间蒸发，于是在水滴和锅面之间产生一层蒸汽，由于它们之间的传热变差，水滴可以存活一段时间，因而在锅内激烈跳跃，维持数秒钟或更久。这时厨师就知道锅已经够热，可以进行菜肴的烹调了。

　　为了更具体地探索这种现象，可以使用一毛细管来控制水滴，经由毛细管的水滴有一定的大小。观察的方法是把这些水滴落在一加热的热盘上，然后测量水滴消失的时间。在热盘温度低于摄氏约150度时，水滴很快地润湿热盘并迅速消失，它在热盘上存活的时间随温度的升高而缩短。但热盘的温度超过摄氏约200度时，水滴开始在热盘上跳跃，它存活的时间反而随温度的上升而更长久。当热盘的温度上升到约摄氏220度时，水滴的存活时间达到巅峰，但视水滴的大小而有差异。这时若温度继续上升，水滴存活的时间又会慢慢地缩短。

　　

　　莱登弗斯特的实验

　　

　　煮开水既然是一件日常生活琐事，但科学家的好奇心，使勃哈（H. Boerhaave）早在1732年就在实验中发现水滴在高温下反而可以存活更久的奇怪现象，只是不知其所以然。1756年莱登弗斯特（J.G. Leidenfrost）做出更具体的科学实验。他把铁汤匙在火炉上加热至红热，然后把水滴在其上。第一滴水可以存活约30秒，但红热的汤匙也因散热而变暗。第二滴水存活约10秒，第三滴水存活得更短，直至水滴只能润湿汤匙而且快速消失。

　　当时莱登弗斯特并没有注意到当水滴落在红热的汤匙上时，二者之间产生一个蒸汽的阻隔层，但后人为了感念他的实验观察，就把水滴在热盘上存活最久的温度，称为莱登弗斯特温度（Leidenfrost point）。

　　早在20世纪初，欧洲有一演艺团的惊人表演，表演者把手指伸入熔化的铅炉，大家惊讶地发现他既不疼痛也没受伤。如果炉中不是水银而确是熔化的铅，推想这位胆大的艺人必先把手润湿或因紧张而手流冷汗，由于水的急速蒸发产生一个气体阻隔层，使高温熔化的铅不易传热至他的手指。在这种情况下，手指可以插入熔化的铅炉很短的时间而不致受伤。

　　不过你可别用自己的手指做实验，太危险了，香肠是一个理想的替代品。干的香肠置入熔化的铅炉时，表皮很快就被烧焦，但润湿的香肠则不是。

　　实验室里常用液态氮来冷却，在这个过程中，常由于急速沸腾而四处溅散，这时往往会溅在手上。照常理想像，手一定会被摄氏零下196度的液态氮冻伤，但常常是毫发未伤。这又是莱登弗斯特现象的另一种实证，就好像水滴落在热盘上一样。

　　很多庙会或宗教的狂热庆典中，常见的高潮项目之一就是赤脚跳炭火，称为过火。过火的方式是由乩童导引抬轿者，绕着用金纸或木炭堆积的火堆数圈，接着依序跳过火堆，一边过火、一边有人在旁洒盐粒以降低火的温度。其中一个可能的原因也许是，过火时，抬轿者必然已满头大汗，脚底也潮湿了，热火使脚底的水分迅速蒸发，产生一层隔热的气体薄层，这又是另一种莱登弗斯特现象的实证。

　　【责任编辑】张田勘