為什麼水在沸騰之前會最大程度地「沙沙作響」,然後變得更安靜?

2020-12-22 悟空科學世界

日常生活中,茶壺是最常用的物品之一,至少對我來說是這樣。每一天,或許有許多人試著用它燒幾次水,但是,很少有人想知道為什麼水在沸騰之前會發出最大的聲音,而在沸騰之後卻又變得更加安靜。這是我們日常生活中都會遇到的現象之一,但幾乎沒有注意到這種現象。

那問題是什麼?

事實上,這個問題的答案比看起來的要複雜得多,因為所有的事情都是分幾個階段來發生的:

眾所周知,當水分子達到沸點(100℃)時,它們會吸收如此多的能量,以至於它們能脫離分子鍵,而這種分子鍵是以液體的形式將它們結合在一起的,最後水就變成了蒸汽。

1.當水在壺底沸騰時(加熱元件的溫度超過100攝氏度),會形成數千個小氣泡和飽和蒸汽,而每個氣泡都會發出頻率為100赫茲的聲音。

2.待進一步加熱之後,氣泡開始脫離底部,並上升到表面。當這些氣泡穿過上面更冷的水層時,它們就會冷卻並塌陷。而氣泡的這種「塌陷」會產生強度相當高的衝擊波(其效果有點類似於管道中的液壓衝擊),並產生頻率約為1千赫的聲音,其形成過程我們稱之為「空化」。

空化是指氣泡在液體流中汽化和隨後凝結的過程,伴隨著噪聲和水力衝擊,在液體中形成空穴,並在其中形成液體的蒸汽。

這是一個非常嘈雜的過程,甚至有時具有破壞性,例如,空化會導致螺旋槳葉片的侵蝕性破壞。下面是空化的另一個例子:

因此,現在讓我們回到茶壺這種場景吧。為什麼水的聲音會越來越大,直到沸騰,然後變得越來越安靜呢?

注意,「塌陷」的氣泡也會攪動液體,從而釋放出更小的水蒸氣和溶解在其中的空氣泡。當然,這些額外形成的微氣泡也會產生聲音。

如圖3所示,最後,當上層水被加熱到接近100℃的溫度時,在底部形成的氣泡就會越來越接近其表面。由於形成的氣泡數量較多,所以噪聲也開始增加。當壺裡的水都達到了沸點時,則氣泡已經浮到壺面,冒了出來,並在那裡破裂,而且聲音也變得柔和多了。因此,水煮沸之後不再發出很大的「噪音」。

有人可能會問,如果用微波爐加熱的話,那為什麼水在沸騰之前不發出噪音呢?其根源就在於微波爐加熱的原理。由於微波的作用,幾乎是均勻加熱的,並且不同的水層之間是沒有這種溫度差的,這樣一來,氣泡的「塌陷」就從未到達過其表面。

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