在日常生活中,我們都應該有過燒白開水的經歷,而且我們知道當溫度達到100度的時候,水就開始沸騰了,就算再繼續加熱下去,水的溫度也不會再繼續上升了。
那麼大家有沒有想過,水的沸點和哪些因素有關,有沒有什麼辦法可以把水加熱到100度以上?今天我們就來討論一下這個問題。
沸點的定義是什麼,水的沸點為什麼是100度?
沸點,顧名思義,液體沸騰的時候的溫度,再準確一點就是:當液體變成為氣體的溫度,這個臨界溫度就叫作沸點。有人可能會問,正常溫度下,水也會揮發成為氣體啊。
沒錯,但其實水的揮發是一種只發生於液體表面的現象,液體內部當然是不會的。而沸騰則是全部液體(包括內部液體)都劇烈蒸發的過程。所以我們看到的效果就是:內部液體由於也會蒸發,所以水沸騰的時候才會不斷的產生氣泡。
水的沸點是100度,這是大家最熟悉的基本常識了,但其實,這句話是有一個隱含的前提條件的,那就是:在一個標準大氣壓下(約為101.325千帕斯卡),純淨水的沸點為100攝氏度(後來國際上的溫度計量標準變更之後,水的沸點變成了99.974攝氏度)。
但在生活中,由於水的純淨程度不同再加上所處海拔的不同,就會導致水的沸點並不是精確的100攝氏度,當然,我們日常也不需要糾結它的精確值,知道沸水大致是100度就可以了。
至於水的沸點為什麼是100度,這其實完全是我們人為規定的。
當時,科學家為了找到適合日常使用的溫標,於是就拿在一個大氣壓下,水結冰的溫度定義為0攝氏度,水沸騰的溫度定義為100攝氏度,然後把它們之間的溫度差平均分成100份,每一份就是1攝氏度,所以水的沸點才剛好是100度。
水的沸點和大氣壓之間的關係。
前面我們一直在強調,水的沸點是100度的前提條件是在一個標準大氣壓下,那麼沸點和大氣壓之間存在什麼關係呢。
首先我們從大氣壓說起,眾所周知,在大氣層到海平面內到這段距離內,充滿著空氣,而空氣也是有質量的,據估計空氣的密度約為1.225 kg /m。
又因為地球引力的存在,生活在地表的我們,就會無時無刻的受到來自幾千千米空氣的壓力(1個大氣壓相當於10噸的重量),這個壓力就叫做大氣壓。
這個時候我們再來考慮海拔,想像一下,如果站的越高,那麼「壓」在你身上的空氣自然也就越少,那麼我們受到的壓力也就越小,所以我們通常說:海拔越高,大氣壓越低。
當我們煮白開水的時候,水的內部會蒸發產生氣泡,氣泡內部有一個向外的壓力,這個壓力叫做飽和蒸汽壓。而氣泡的外部又承受著來自大氣的壓力。當氣泡內部的壓力大於外部大氣壓的大小時,液體才會出現沸騰的現象。
而前面我們提到,海拔越高,大氣壓越小,那麼我們就可以得出這樣一個結論:大氣壓越高,水的沸點就越高,相反,則水的沸點越低。
這就是為什麼在西藏等一些海拔4000米以上的地方,要用高壓鍋煮飯,因為如果不用高壓鍋,水的溫度只能達到80多度就沸騰了,根本無法把食物煮熟,甚至無法對細菌進行消毒。
如何把水的沸點提高到100度以上?
看到這裡,大家應該知道如何把水(液體)加熱到100度以上了。我再來簡單的敘述一遍。
在一個標準大氣壓下(海平面附近的大氣壓力),水的沸點是100攝氏度,如果想把沸點繼續提高到100度以上,那麼唯一的辦法就是給水增加外界的壓力,比如使用高壓鍋來燒水。
由於密封的高壓鍋只有一個很小的出氣孔,當高壓鍋裡的水汽不斷產生,而出氣孔的冒氣的速度又小於水汽的產生速度,這些水汽就會在國內不斷聚集,就這樣,鍋內部的壓力就提高了。
據估計,家裡用的高壓鍋,能提高到2個大氣壓左右。這樣算下來,水的沸點就達到了120度左右。這樣不僅煮食物更快,而且還節省煤氣費。
超臨界態水:最高可達464攝氏度!
如果不依靠人為的改變壓力,還可以藉助海水的力量。因為一個標準大氣壓是在海拔為零的地方,如果繼續往下,壓力自然也就更大了。那麼海底的水沸點豈不是更高?
在熱力學中,我們把物質以液態形式存在的最高溫度,或者反過來以氣態存在的最高壓強,叫做臨界點,當液體的溫度或者壓強超過了這個點,就會變成超臨界流體。
這種超臨界流體,會同時具有液體和氣體的性質,它既可以像氣體一樣發生瀉流,又可以像液體一樣具有流動性,那麼自然界哪裡有超臨界流體呢?
首先是藏在海底3000米以上的海域,這裡的壓力高達300個大氣壓,海底會有很多活火山,有時候會放出很多蒸汽以及巖石碎片。在這些海底活火山附近的海水,都會變成超臨界流體,溫度都在300度以上。
2008年的時候,德國科學家在大西洋的海底就發現了高溫的海底熱泉噴口,經過測量,這裡的水溫竟然達到了464攝氏度,這已經人類發現溫度最高的水。
這種超臨界態水,有極強的氧化能力,還能溶解各種金屬,以至於科學家根本無法使用鑽頭才從這裡獲取標本進行研究,目前對超臨界態水形成的研究還只能用電腦進行模擬。
最後我們來總結一下。
水的沸點是指液體變成氣體的臨界溫度,和火力的大小沒有關係。大氣壓越強,水的沸點就越高,所以可以使用增加外界壓力的方法,來提高水的沸點。在海底有著巨大的壓力,海底活火山口附近的水會變成超臨界態水,溫度可達300度以上。