沸腾中的秘密

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  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
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