彭晓冉【视频】响水不开,开水不响:过冷沸腾与饱和沸腾-流体那些事儿
发布时间: 2019-03-31 浏览: 495彭晓冉【视频】响水不开,开水不响:过冷沸腾与饱和沸腾-流体那些事儿
彭晓冉 烧过水的人都知道,水将近烧开的时候发出的响声与烧开之后发出的响声是不同的。将近烧开的水发出的响声往往比烧开的水更刺耳。这就是有些人所说的“响水不开,开水不响”。这里面的道理是什么呢?
视频1 将近烧开的水
视频2 烧开的水
要弄明白这个问题,就要知道水是怎样烧开的。我们知道,从水的相图可以看出压力与水的饱和温度的关系,如图1中蓝色曲线所示。在压力为1个大气压(1atm)的时候,饱和温度大约为373K(100℃)。也就是说,在1个大气压的压力下,将未饱和的液态水加热到饱和(如图中红色箭头所示),则它就要转变为蒸汽。这就是为什么我们常说水的沸点是100℃。
图1 水的相图
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但是,在烧水的时候,水壶里面的水升温过程中,水的温度并不是均匀分布的。由于加热元件是对水壶的底部进行加热,所以,水壶通电之后,首先是底部壁面的温度开始升高,当底部壁面温度超过饱和温度一定数值时(注1),壁面附近一个薄层里面的水温也超过了饱和温度,壁面上个别地点(称为汽化核心)开始产生气泡,但是这时离开壁面较远的水还未达到饱和温度。因此,离开壁面上升的气泡到达上面的低温水层的时候,又会重新凝结为液态水,这种气泡坍缩的过程对周围流体产生扰动,会产生频率较高的声音(有实验曾测量过大约为1kHz[4])。这种沸腾工况叫做过冷沸腾(subcooled boiling,图2),也叫做欠热沸腾,所谓“欠热”,就是指大部分液体的温度仍然低于饱和温度。视频1里面将近沸腾的水正是处于这种沸腾工况,因此发出的声音比较刺耳。
图2 过冷沸腾(图片来自[3])
随着加热继续进行,水壶里面的水温继续上升,由于对流的作用,壁面附近的较热的水会把热量传给上面的较冷的水,终于水壶里面的水全部都达到饱和温度。这时,从底部壁面上升的气泡不再坍缩,而是一直上升到水面并逸出到空气中。这种沸腾工况叫做饱和沸腾(saturated boiling,图3)。由于没有气泡坍缩的过程,所以也就不再有刺耳的声音。
图3 饱和沸腾(图片来自[3])
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参考文献
[1]杨世铭, 陶文铨. 传热学. 第四版,高等教育出版社,2006
[2] 徐济鋆 等. 沸腾传热和气液两相流. 原子能出版社,2001
[3]
[4]
注1:不只是达到饱和温度,而要超过饱和温度一定数值,这与气泡表面张力有关,详见文献[1]。另外,这里假设水位很浅,因此忽略水的深度产生的压强差。
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