從小我們就知道,水在溫度達到100攝氏度時就會沸騰。我們就可以煮麵條或者煮湯了。但是,這個說法其實並不完全正確。畢竟,在科學領域任何一句話都是相對的概念。所以說,水的沸點也是由很多條件共同決定的。
首先,我們要搞清楚的是:液體怎麼才會沸騰?一種液體,比如說水,是由很多個分子構成的,若這些分子處在一種比較鬆散的狀態,相互之間的作用力就比固態時小——水的固態就是冰,冰的分子間作用力大於水的分子間作用力——那就會以液體的形式存在。我們平時說的「溫度」實質上形容的是組成物質的分子振動頻率:一個物體的溫度越高,組成它的分子振動頻率越高(當分子不再運動的時候,這個物體將會是目前所知的最低溫度,即「絕對零度」——零下273攝氏度,也等於0開氏度。雖然熱力學原理和量子物理學有研究表明物體不可能達到這種溫度)。
因此,當某個物體沸騰時,也就是從液態變為氣態時,這些分子的振動頻率已經達到一定程度,能讓它們擺脫液態時分子之間彼此的相互作用力,然後變得更加鬆散,融入組成空氣的分子之中,形成氣體。就這樣,水分子不再處於液態時的相互牽制狀態,進入到自由遊走的氣態,各個分子都努力地想要佔據更多的空間。事實上,這個現象包含了很多隱藏的條件,比如,我們所說的水在100攝氏度沸騰,指的是純水和蒸餾水——沒有任何雜質溶於其中的水。然而,我們平時喝的水都含有各種各樣的雜質,你可以隨便從商店裡挑一瓶礦泉水出來,看看上面的成分表,上面都寫著:鈣、鎂、鈉、鐵、碳酸化合物、硫酸化合物……
舉個例子,我們廚房中用的鹽其實就是氯化鈉,當我們往水裡加入足量的氯化鈉時,這杯水的沸點就會升高。也就是說,這個時候要燒開水需要達到比100攝氏度更高的溫度。把1升水的沸點提高1攝氏度需要往裡面加大約58克的鹽。同樣地,這樣也能降低水的凝固點——在這個時候,水在低於0攝氏度的時候才會結冰。這是因為組成氯化鈉的離子融入水分子之中,讓水分子很難凝固成冰。這就是為什麼在寒冷的冬天,我們通常會往公路上撒鹽,就是為了避免水結冰引發的交通事故。
另外,我們平時說水在100攝氏度會沸騰,是通常默認壓強條件是海平面高度上的氣壓大小。要記住:我們通常都會承受一定的壓力(當然了,我指的不是社交軟體裡聊到的工作壓力),所有人都承受著空氣重量帶來的壓力,也就是大氣壓力。同時,這個氣壓也會影響水的沸點——大氣壓越低,液體的沸點就越低。這是為何呢?因為液體中的分子在比較低的氣壓條件下,會更容易掙脫彼此之間的相互作用力,變成氣態。低氣壓不會帶給液體分子那麼大的「束縛」。
科學逸事:
珠峰的海拔為8848米,通過計算,我們可以得出在珠峰頂上水的沸點是86攝氏度。在海拔11000米處,水的沸點是71攝氏度。那麼,在海拔19000米處(等於奧地利人菲利克斯·鮑姆加特納那驚世一跳的一半高度),即所謂的「阿姆斯特朗界線」(依照地理位置與大氣環境的差異,通常位於18900~19350米的高空),又會是什麼樣的情況呢?在這個高度上,大氣壓強是海平面氣壓的十六分之一,此時水的沸點等於人的體溫——36攝氏度。
凡人亦英雄:
2012年10月14日,YouTube全球直播鏡頭中,在沒有藉助任何外在機器支撐的條件下,菲利克斯·鮑姆加特納成為世界上首位成功完成超音速自由落體的跳傘運動員。在經歷多次失敗後,他終於做到了從距地面高度約3.9萬米、懸掛在氦氣球上的太空艙上跳下(這個氦氣球由高韌性的塑料製成,厚度僅為0.02毫米)。他在40秒內達到373米/秒(1.343千米/小時)的速度,最後成功著陸。這個過程中,有幾秒內他甚至處於間歇性失憶的狀態。截至目前,高空自由落體世界紀錄的保持者是阿蘭·尤斯塔斯在2014年完成的——高度為41150米!
那麼,假設菲利克斯的特製太空衣在這個高度上破損,會發生什麼事呢?會自燃嗎?不會。會爆炸嗎?也不會(雖然在電影中有無數個這樣的鏡頭)。實際情況會是:他的太空衣變為灰燼和粉末,喉腔黏膜等器官中的水分和眼淚都會沸騰,因此身體會變得乾枯——但是不會燃燒起來,因為36攝氏度是身體能夠接受的溫度。也就是說,在此假設下,他最後會因為缺氧窒息而死。
科學逸事:
血液會沸騰嗎?答案是否定的,因為人體的血壓比外界氣壓高70~120毫米汞柱(是的,就是你熟悉的那個體檢項目——測血壓)。海平面的壓強為760毫米汞柱,在這個高度可以算出我們的血壓位於830~880毫米汞柱之間。在這個壓強之下,血液的沸點為47攝氏度。而在血液沸騰之前,我們就會因為被烤焦而死掉。
我把「水的沸點在珠穆朗瑪峰之巔是多少?」這個問題發表在各大社交網站上。
這裡有一些充滿智慧的評論:
A: 你說在微波爐裡還是在鍋裡?
B: 不會沸騰。當你真的爬到珠峰山巔的時候,水早就被你喝光了。
C: 在珠穆朗瑪峰山頂的水是不會沸騰的,很簡單,因為沒有哪個正常人會想要爬到世界最高的山峰上去燒水!
經濟日報-中國經濟網摘自《那些聽過卻從未搞明白的問題》四川文藝出版社
來源：經濟日報-中國經濟網