蒸发与沸腾
蒸发与沸腾
物质汽化是物质由液相转变为气相的相变过程。液体中分子的平均距离比气体中小得多。汽化时分子平均距离加大、体积急剧增大，需克服分子间引力并反抗大气压力做功。因此，汽化要吸热。单位质量液体转变为同温度蒸气时吸收的热量称为汽化潜热，简称汽化热。汽化热随温度升高而减小，因为在较高温度下液体分子具有较大动能，液相与气相差别减小。在临界温度下，物质处于临界态，气相与液相差别消失，汽化热为零。
物质从液态转变为气态（即汽化）有两种方式，即蒸发和沸腾，前者发生在液体表面，后者则是在液体表面和内部同时发生，见图6－1。由于两者的物理现象有明显的差别，一般情况下还是能很好地加以区别的。但是，关于蒸发和沸腾的条件，以及伴随它们所产生的一系列变化，直至它们的微观本质，有时是模糊不清的。与沸腾不同，蒸发在任何温度下都可进行。在一定温度下，与液体或固体处于相平衡的蒸汽所具有的压力称为该物质在该温度下的饱和蒸汽压。在一定压力下，某物质的饱和蒸汽压与此压力相等时对应的温度就称为沸点。
图6－1 水被加热而蒸发和沸腾
1．蒸发
发生在液体表面的汽化，叫做蒸发。蒸发在任何温度下都能进行。蒸发过程吸收热量，因而蒸发制冷。例如，水由液态转变成气态，逸入大气中的过程就称为蒸发。在工业生产中，一般在低于沸点时蒸发，只需要加热即可，有时也可以在沸点时进行沸腾蒸发。有的液体在沸点甚至低于沸点时就会氧化或分解，因而需要进行减压蒸发（真空蒸发）。
在一定时段内，液体通过蒸发而散布到空中的量称为蒸发量。显然，蒸发量与蒸发速度有正相关联系，即蒸发速度越快则蒸发量越大。对于最常见的液体水来说，蒸发量用蒸发掉的水层厚度（毫米）表示，水面和土壤的水分蒸发量分别用不同的蒸发器测定。一般温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低，蒸发量就越大；反之蒸发量就越小。土壤蒸发量和水面蒸发量的测定，在农业生产和水文工作上非常重要。雨量稀少、地下水源及流入径流水量不多的地区，如蒸发量很大，则极易发生干旱。
从微观上看，液体分子的运动是杂乱无规则的运动，蒸发就是液体分子从液面离去的过程。液体分子都在不停地做无规则运动，其平均动能大小与液体的温度相对应。由于分子的无规则运动和相互碰撞，在任何时刻总会有一些分子具有比平均动能大的动能。处于液面附近的具有较高动能的分子，如果其动能还大于克服液体分子间引力所需的功，这些分子就能脱离液面，变为这种物质的蒸汽，这就是蒸发现象的分子物理学解释。飞出去的分子在和其他分子碰撞后，有可能再回到液面或进入液体内部。如果飞出的分子多于飞回的，液体就在宏观上表现为蒸发。
在蒸发过程中，比平均动能大的分子飞出液面，所以留在液体内部的分子的平均动能变小了。所以，在蒸发过程中，如外界不给液体补充能量，则液体的温度一定下降。
2．影响蒸发的主要因素
蒸发速度的快慢取决于多种因素，温度、湿度、液体的表面积、表面污染物（如油斑等）和表面附近的气流速度等都会影响蒸发速度。例如，一般加热会提高液体的蒸发速度，加大液体的蒸发表面积也可以提高蒸发速度。另外，在气相中蒸汽浓度过高会减慢蒸发速度，因此促使气体流动，带走已经蒸发的气体，是一种加快蒸发速度的方法。
先来看蒸发与温度高低的关系。无论在什么温度，液体中总有一些能量很大的分子能够飞出液面而成为气体分子，因此液体在任何温度下都能蒸发。如果液体的温度升高，分子的平均动能增大，从液面飞出去的分子数量就会增多，所以液体温度越高，蒸发得就越快。譬如夏天湿衣干得快，而冬天湿衣干得慢。
液面面积大小也影响蒸发速度。增大液体表面面积，处于液体表面附近的分子数目增加，因而在相同时间内从液面飞出的分子数就增多，所以液面面积增大，蒸发就加快。
在空气环境中，当飞入空气里的蒸汽分子与空气分子或其他蒸汽分子发生碰撞时，有可能被碰回到液体中。如果液面空气流动快，通风好，分子重新返回液体的机会就小，蒸发就快。
条件相同的不同液体，蒸发快慢也不相同。例如，酒精比水蒸发快，海水比淡水蒸发慢。这是由于液体分子之间内聚力大小不同而造成的。水银分子之间的内聚力很大，只有极少数动能足够大的分子才能从液面逸出，所以这种液体蒸发就极慢；而另一些液体如乙醚，分子之间的内聚力很小，能够逸出液面的分子数量较多，所以蒸发得就快。
此外，液体蒸发不仅吸热，还有使周围物体冷却的作用。当液体蒸发时，从液体里飞出来的分子要克服液体表面层的分子对它们的引力（内聚力）而做功。这些分子能做功，是因为它们具有足够大的动能。速度大的分子飞出去，留下的分子的平均动能就要变小，因此液体的温度必然要降低。这时，液体就要通过热传递方式从周围物体中吸取热量，于是使周围的物体冷却，这正是各种热交换器的基本物理原理。
使液体升温，实质就是增多飞出液面的分子数和增大飞出液面分子的速度，这样，蒸发速度自然也就快了。增大液体表面，就是增大速度大的分子飞出液面的机会。至于通风，就是减少飞出液面分子的碰撞机会，从而降低分子重新回到液体的倾向。
3．沸腾
在一定压强下，液体温度升高到一定程度时，液面和液体内部同时发生迅速汽化的现象称为沸腾。沸腾时，液体内部涌现出大量气泡。这时，外界提供的热量都用于使物质从液态变为气态，液体的温度不变，此温度叫做沸点。沸点高低与液体性质有关。同时，因为液体沸腾时，其内部气泡中的蒸气压必须至少等于环境压强，气泡才能胀大并上升，所以沸点还与环境压强有关。沸点随压强而变化的关系可由克劳修斯—克拉珀龙方程得出。对于水，环境压强每增加3．6121×103 Pa，沸点升高1K。一个大气压下的沸点是正常沸点。
蒸发和沸腾是汽化的不同方式，但从相变角度来看，它们没有根本区别。无论蒸发还是沸腾，液体变为同温度的气体时都要吸收热量。单位质量液体变为同温度的气体所吸收的热量叫做汽化热。
沸腾是在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化过程。在一定的外界压力下，沸腾只能在某一特定温度（沸点）下进行。在不同的压力下，同一种液体的沸点是不同的，同一压力下不同液体的沸点也是不同的。通常所说某种液体的沸点是指1标准大气压下的沸点。液体沸腾时，尽管继续给它加热，但温度始终保持在沸点不变。沸腾时液体和液体上方的饱和气体的温度相等，都等于沸点。尽管两者温度相同，但由于聚集状态已不同，故一定质量的液体变成同温度的气体时需要吸收一定的能量，这由汽化热反映。
例如，在1标准大气压下，液态铁的沸点是2 750℃，酒精78℃，萘218℃，液态氦则只有零下268．9℃。
观察容器里的水被加热时的现象。加热容器时，容器底和壁上会出现小气泡，继续加热时，小气泡受热膨胀使泡内压力减小，液体不断向泡内蒸发，气泡上浮。继续加热容器，气泡继续增大，直到冒出液面破裂形成沸腾现象。沸腾产生的必要条件是液体中气泡内的饱和蒸气压与外界压力相等。
显然，外界压力增大时，液体中气泡内的饱和蒸气压要相应增大才能沸腾。液体的沸点随外界压力增大而升高，随外界压力减小而降低的道理就在于此。生活中使用的高压锅就是利用这个原理制成的。一般高压锅内能维持2个大气压，锅内的温度可达120℃左右。看来，沸腾比蒸发确实要复杂得多。
4．通过实验理解沸腾条件
在不加盖的高压锅中加足量的水，放在火炉上烧开，再在烧开的水中放入半杯冷水，不让杯底接触锅底，继续加热足够长的时间，杯中的水能否沸腾呢？如果加盖封闭高压锅继续加热又会怎样？
不少人会认为盛冷水的杯子放入开水锅中，可以不断地从杯外的开水中吸收热能，而锅中开水又不断在火炉上加热保持沸腾，因而经一段时间后，杯内和锅中的水都可以达到100℃而同时沸腾。盖上高压锅盖继续加热，杯内和锅中水的温度都将高于100℃，因此，更能沸腾。
不具体地分析问题的物理过程，对沸腾的概念缺乏全面正确的理解，就会作出错误的判断。液体沸腾有两个条件：温度达到沸点和继续提供汽化所需的能量。在一定的压力下，温度达沸点只是沸腾的必要条件而不是充分条件。
实验过程表明，杯中的水是不能沸腾的。当盛有冷水的杯子放入开水锅中后，冷水虽然可以不断地从其周围的开水中吸收热能，温度逐渐升高，达到100℃，并使杯内、外的水处于热动平衡状态，但以后杯内的水再也不能从其周围的开水中吸收热能了。由于杯内的水无处吸收汽化热，杯内的水只能保持100℃而不能变成100℃的汽，因此，它是不能沸腾的。然而，杯外的水由于能源源不断地从比它温度高的接触火炉的锅底吸收热能，所以能继续沸腾。
当盖上高压锅盖后，水的饱和蒸气压便会升高，从而水的沸点也相应升高，杯外水的温度可达到100℃以上。这时杯内、外的水就又有了温度差，杯中的水又可以从其周围的水中吸收热能了，但此时杯内水的沸点也升高了，因而吸收的热能仍不能用来使杯中的水汽化而只能用来继续升高温度。随着时间的推移，杯内、外的水将处于某一高于100℃的新的热动平衡状态，此时，杯中的水又无处吸收汽化热了，因此它还是不能沸腾。
5．蒸发与沸腾的区别
蒸发与沸腾既有相同点更有不同点，下面的几条着重指出了它们的不同。
（1）蒸发是液体在任何温度下都能发生的汽化现象，而沸腾是液体在一定温度（沸点）下才能发生的汽化现象。
（2）蒸发是只在液体表面发生的缓慢的汽化现象，而沸腾是在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象。
（3）蒸发时液体温度会下降，而沸腾中液体温度保持不变（在液体表面上压强不改变的前提下）。
（4）影响蒸发的因素是：液体的温度，液体表面上的气流快慢，液体的表面积；影响沸点的因素是：液体表面上的气压，液体的纯净程度。
