【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第七章物态的变化

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】 

§7-10沸腾

【01】前面已经讲过，蒸发是液体汽化的一种方式。现在我们来讲，液体汽化的另一种方式——沸腾。

【02】让我们通过实验来仔细观察沸腾现象。

【03】把水装在烧瓶里加热，就可以看到在瓶底和瓶壁上产生许多小汽泡。这些小汽泡是瓶内壁所吸附的空气分离出来的。由于小汽泡周围都是水，水就要向汽泡里不断地蒸发。小汽泡的体积很小，里面的汽很快就达到了饱和状态，所以汽泡里除了空气以外还有饱和的水汽。如图7·16所示，当水的温度继续升高，小汽泡里的饱和汽压也就逐渐增大，于是它的体积也随着而增大。这时由于水对汽泡的浮力作用，小汽泡就会脱离瓶底和瓶壁而上升（图7·16(a)）。同时，遗留在底面上的少量空气，重新又生成一个新的小汽泡（图7·16(b)），这个小汽泡也会逐渐变大而上升，而且它的变化过程此前一个小汽泡还要快。因为水的温度越来越高，所以水向汽泡里蒸发的速度也就越来越快了。

【04】当这些汽泡脱离器壁或器底上升以后，它们的体积又会重新减小（图7·16(c)），因为这些汽泡里所含有的水汽，在上升到温度较低的上面水层时，又要凝结成水，于是汽泡的体积就缩小。烧水时常常听到“呼呼”的响声，就是由于气泡体积交替着膨胀和缩小所发出的。

【05】加热时间越长，水的温度越高，汽泡里的饱和汽压也越大。等到水的温度升高到一定的程度时，汽泡内的饱和汽压会升高到与外部压强相等，这时整个水层已处在同一温度下，于是汽泡在上升过程中就不会再发生水汽凝结和体积缩小的现象。同时由于温度升高，周围的水迅速地向泡里蒸发，汽泡的体积在上升过程中就不断地增大（图7·16(d)）。最后升到水面时裂开，放出大量蒸汽，这时瓶里全部的水就上下翻腾，滚动不息。这种现象就是沸腾。

【06】根据观察结果可以知道，沸腾是一种液体表面和内部同时进行的汽化现象。液体在沸腾的时候，它的饱和汽压跟外部压强相等。

【07】在饱和汽的性质中，我们已经讲过液体的饱和汽压随着温度的改变而改变。因此，任何一种液体只有在一定的温度下才能沸腾，也就是说只有在它的饱和汽压与外部压强相等时，才会沸腾。我们通常把液体沸腾时的温度叫做这种液体的沸点。各种液体有一定的沸点。

【08】对液体沸点进行的研究具有很大的实际意义，下面我们就来讨论一些有关液体沸点的问题。

1、沸点与压强的关系

【09】我们已经知道液体的沸点跟外部压强有关。因此，我们很容易想到：当液体所受的压强增大时，它的沸点升高；压强减小时，沸点降低。

【10】我们也可以通过实验来证明这一事实。

【11】如图7·17所示，把一杯温度在 80°C 左右的水放在抽气机的玻璃罩里，当罩里的空气被抽到一定程度时，杯里的水开始沸腾了。这说明，当罩里的气压降低时，水能够在比 100°C 低得多的温度下沸腾。

【12】我们也可以这样来做实验。在图7·18的装置里，当水沸腾后，取去酒精灯，沸腾现象就停止了。然后取下烧瓶，用橡皮塞塞紧瓶口，倒置在架上，用冷水浇瓶底，就会看到烧瓶里的水又沸腾起来。这是因为瓶里的水汽凝结后，压强减小，水的沸点也就降低了，这个现象也称为复沸腾现象。从上面的两个实验中，可以证实，当外部压强减小时，液体的沸点就会降低。相反，当外面的压强增大时，液体的沸点就会上升，例如蒸汽锅炉里的蒸汽压强，可以有几十个大气压，锅炉里的水的沸点可以在 200℃ 以上。实验室中常用一种压力锅来提高沸点，它的外形如图7·19所示。锅用厚铜板制成，它的盖用螺丝钉旋紧，盖上连有一个安全阀。在锅内盛水后，旋紧锅盖，并在锅下加热。因为水汽不能泄出，所以沸腾温度就要提高。医院中也常常使用高压消毒锅来消毒杀菌。

【13】我们又知道在山上蒸饭，水容易沸腾，而饭不容易熟，这是由于大气压随着地势的升高而逐渐减小，所以水的沸点也随着高度的升高而逐渐下降。譬如在拔海 1900 米的地方，大气压强约为 600 毫米高水银柱，水的沸点是 93.5℃  。所以在高山顶上烧饭，水虽然容易沸腾，而饭却不容易煮熟。为了煮熟食物，山地居民经常在紧密的锅盖上加添大石头，使锅内的汽压增加，从而提高水的沸点。

【14】从具体测量中知道，水的沸腾点每降低 1°C  。相应地压强降低了 27 毫米高水银柱，也就是相当于从海平面竖直上升了 297 米左右。图7·20的图线表示水的沸点跟距离海平面高度的关系。这样，我们就得到了测量大气压强和高度的新方法。只要先测出液体的沸点，就能够计算出大气压强和高度。沸点测高器就是应用这个原理制成的。

【15】物质的沸点随着外部压强的变化而变化的规律在生产技术上也起着很大的作用。在化学工业中，如果在高温下蒸馏某些物质，就会引起这些物质分解，这时要采用减压蒸馏或真空蒸馏的方法，也就是减小液面上的压强，使沸点降低，从而使液体很快地汽化的方法。真空蒸馏是一种使液面的汽压小到接近于真空的方法。在食品工业中，例如奶粉厂，要想把牛奶中的水分通过蒸发过程来干燥，但又要不破坏奶粉中的营养成分，就必须采用真空蒸馏的方法。这样在较低的温度下，就可以把水分蒸发干了。在治金工业中，也常常采用所谓真空治炼方法。采用这个方法不仅可以使治炼温度降低好几百度，还可以大大地改善金属的性能，使可能包含在金属中的气体跑出来，从而得到没有汽孔的金属。

2、各种物质的沸点不同

【16】在相同的大气压下，各种液体的沸点差别很大，这可以从表7·5中看出。

【17】为什么各种物质的沸点相差这么大呢？在前面的讨论中，我们已经知道饱和汽的压强和液体的种类有关。在一定的温度下，各种液体的饱和汽压也是一定的。例如乙醚在 20℃ 时饱和汽压为 44 厘米高水银柱，比大气压的一半还要大，因此只要将温度略微升高，就能使乙醚的饱和汽压与大气压强相等，所以乙醚加热到 35°C 时就沸腾了。但是有些物质在室温时，它的饱和汽压很小。例如水银在 20°C 时，饱和汽压为 0.0018，要到 357°C 时，它的饱和汽压才能跟大气压相同，也就是说要在 357°C 时它才沸腾。正是由于这个原因，所以各种物质的沸点不同。

【18】各种物质具有不同的沸点这一事实，在化学工业上也有很大的用处。例如，石油中含有汽油、煤油和其他较重的矿物油，怎样才能把它们彼此分开呢？我们就对石油进行加热，这时首先汽化出来的是沸点低的汽油，然后才是煤油、柴油、重油等。这样就可以把汽油和其他较重的矿物油分离开来，这种方法叫做石油分馏法。酒精的提纯，也是根据酒精和水的沸点不同这一原理来进行的。

3、液体中含有的杂质对液体沸点的影响

【19】杂质对液体沸点的影响和对熔点的影响情况很相似。液体中含有溶质后它的沸点要比纯净的液体高。这是由于存在溶质后，液体分子之间的引力增加了，液体就不容易汽化，饱和汽压也比较小。要使饱和汽压达到大气压强，就必须提高沸点。从实验知道液体中所含的有机物越多，沸点也越高。如果在液体中加入一些酸碱盐类，它的沸点就要升得更高一些。煮食物时，加一些盐，沸点提高，食物就容易煮熟、煮烂。

【20】但是也有这样的情况，在我们观察沸腾的时侯，可以看到液体中的空气泡是沸腾开始时的中心。周围的水要向气泡内蒸发，使它的体积逐渐增大，引起沸腾.如果液体非常纯洁，里面没有任何杂质和空气泡，或者经过长时间的沸腾后，它里面的空气已经放尽，那么，即使加热到 100°C 以上，它可能还不开始沸腾，或者停止沸腾。因为这时已经没有空气泡了，而且水也不能再向小汽泡里蒸发，这种液体叫做过热液体。过热液体是否再也不沸腾呢？实验指出：过热液体虽然缺少小汽泡，但是有的分子具有足够的能量，能够彼此相推，在分子间形成极小的汽泡，这种小汽泡的体积只比液体分子间距离稍大，因此它内部的汽压很小，但是，当对过热液体继续加热，使温度高于沸点时，小汽泡中的饱和汽压就迅速增大，汽泡也迅速膨胀，过热液体就要骤然沸腾。同样，在过热液体中投入一些附有空气的固体微粒或搅动液体，液体也会立刻沸腾起来。过热液体沸腾时，其势非常猛烈，温度仍回到 100℃，这种沸腾通常叫做暴发沸腾。暴发沸腾是非常危险的，有时甚至会引起蒸汽锅炉的爆炸，因此要经常注意防止暴发沸腾。为了防止暴发沸腾，在一些有机物进行蒸馏时，经常在锅炉里预先投入一些附有空气的固体碎粒，如玻璃碎片或其他碎屑以避免产生过热现象。

习题7-10

1、沸腾与蒸发有什么区别？

2、在很高的山上为什么不能用普通的水壶煮熟马铃薯？在气压是 60.5 厘米高水银柱的山顶上，水的沸点是多少？

3、在糖果厂里，必须在 100℃ 以下的温度把糖浆里的水分蒸发掉(不然糖就要烧焦)，这需要用什么方法才行？

4、什么叫做减压蒸馏？它在工业技术上有什么实际应用？

5、沸点为什么与所受的压强有关？

6、什么叫做过热液体？什么叫做暴发沸腾？怎样来防止液体的过热现象？

7、石油蒸馏是应用什么原理来进行的？