芻議《物態變化》中三個基本問題

郭成

1蒸發只能發生在液體表面嗎？

關于蒸發現象發生的部位，教材當中有這樣的敘述：“物理學中，把只在液體表面發生的汽化現象叫做蒸發”.對沸騰發生的部位，教材是這樣表述的：“沸騰是在液體內部和表面同時發生的劇烈的汽化現象”.從這個表述可以看出：（1）蒸發只能發生在液體表面，而無法在液體內部發生；（2）沸騰是液體內部和表面同時發生的，即不存在“局部的沸騰”.

于是，筆者設計了以下一段對話：

A：我燒水時發現，加熱時間不長，壺底和內壁上已經產生了不少氣泡，并且氣泡還越來越大，這屬于蒸發還是沸騰呢？

B：應該是沸騰吧，因為蒸發只能發生在液體表面，壺底和內壁產生氣泡肯定不屬于蒸發.

A：但此時的水離沸騰還早著，剛燒一會兒就有這個現象了.

B：雖然整體上水沒有沸騰，但壺底的水溫較高，已經先沸騰了.

A：請問沸騰可以只發生在液體內部嗎？

B：不可以，沸騰應該是內部和表面同時發生的.

正確解釋水中溶解了少量氣體雜質（如氧氣、氯氣、二氧化碳），加熱過程中水溫升高，導致氣體雜質的溶解度降低，從水中逸出.但逸出的氣體雜質非常有限，無法持續產生大量氣泡，所以水沸騰前壺底產生的氣泡的主要成分確實是水蒸氣.這些水蒸氣是通過蒸發的方式得到的：氣體雜質逸出后在壺底和內壁形成非常細小的氣泡，一旦產生細小的雜質氣泡，就構成了氣體和液體的界面（氣泡壁），為水在液體內部蒸發提供了條件，水分子可以從液態水進入氣泡，這就是我們熟知的蒸發現象.如果將水煮沸后冷卻，然后重新加熱直到沸騰前，壺底都不會再產生氣泡.原因在于水中少量的氣體雜質已經在第一次沸騰中徹底逸出，所以第二次加熱不會再有細小的雜質氣泡，沒有氣泡壁，液體就無法在內部進行蒸發.

總結建議教科書對蒸發部位的表述修改為：“蒸發只能發生在液體與氣體的界面上.”微小的改動所隱含的意義卻不小.蒸發需要一定的條件，即存在液體與氣體的界面，只要具備這一條件，即使在液體內部同樣可以蒸發.

2零攝氏度的規定嚴謹嗎？

教材介紹“攝氏溫標”時作出如下的表述：“該溫標規定，標準大氣壓下冰水混合物的溫度為0 ℃，水沸騰時的溫度為100 ℃”.水沸騰時的溫度被規定為100 ℃是沒問題，但“冰水混合物的溫度為0 ℃”這句話卻會造成理解上的困惑.

困惑一既然承認是冰水“混合物”，那么當然其中有冰也有水，即不止一個對象，那么，“溫度為0 ℃”是針對哪一個對象來說的？

困惑二“冰水混合物”的定義是什么？能否簡單地從字面上來理解，即只要滿足“既有冰，又有水”就可以被稱作“冰水混合物”？

文本探析假定“冰水混合物”指的就是“既有冰，又有水”的狀態，那么事實上這種“混合物”的溫度未必就是0 ℃.例如，在標準大氣壓下將冰塊投入沸水中，在冰完全熔化之前，都可以被稱作“冰水混合物”，然而如果我們用溫度計去測量此時的溫度，肯定不是0 ℃.而此時溫度計所測得的，實際上是這種“冰水混合物”當中的水的溫度，卻不是冰的溫度.究其原因，此時的冰與水之間有溫差，仍然發生著熱傳遞，或者說此時的“冰水混合物”還沒有達到熱平衡狀態.從操作層面來說，固體溫度需要用“表面溫度計”來測量，普通實驗室溫度計無法測出冰塊溫度.

總結對于“0 ℃”的規定，如果一定要按照原始定義的思路，應該作如下表達：“我們規定，一個標準大氣壓下，達到熱平衡狀態時，冰水混合物中冰和水的溫度都為0 ℃”.這樣雖然嚴密，但不夠簡潔，不適用.筆者建議，不妨直接修改為“一個標準大氣壓下，水凝固時的溫度為0 ℃”.

3酒精燈外焰加熱更快嗎？

關于使用酒精燈的注意事項，教材這樣描述“酒精燈火焰的外焰部分溫度最高，應該用外焰給物體加熱”.這句話中雖然沒有“因為……所以……”或“由于……因此……”這種表因果關系的關聯詞，但分析語境，可以認為這句話逗號前后存在因果的關聯.即“因為外焰溫度高，所以應該用外焰加熱”.

原理分析一般認為酒精燈的外焰溫度最高，原因是酒精蒸汽在外焰燃燒最充分.盡管這一結論近年來也遭到一些質疑，但本文對這一結論且不持懷疑態度，即認同外焰溫度最高.本文中，筆者只針對教材文本表述的因果關系進行思考和探討.

為什么要用外焰對物體進行加熱？這樣做的好處是什么？通常解釋是：“因為外焰溫度高，所以用外焰加熱更快，從而縮短加熱時間.”但是，決定加熱時間長短的因素是溫度高低嗎？不是.

以教材的“觀察水的沸騰”實驗為例，燒杯中水溫升高的快慢取決于燒杯單位時間內吸收的熱量（即燒杯的吸熱功率），而燒杯的吸熱功率又取決于火焰單位時間內對燒杯放出的熱量（即火焰的加熱功率），火焰的加熱功率又取決于單位時間內酒精損失的化學能，即取決于酒精的消耗速度.一旦酒精的消耗速度確定，加熱的快慢程度也就確定了.

舉一個簡單的例子，要將一大桶水煮沸，現有兩種加熱方案：（1）用一盞酒精噴燈（溫度可達1000 ℃）單獨對這桶水加熱；（2）點一堆篝火，溫度可達600 ℃，將這桶水置于其中加熱.兩種方案，哪一種先將一大桶水煮沸？

如圖1所示，觀察酒精燈的火焰會發現，火焰形狀是[TP8CW01.TIF，Y#]上尖下粗，如果將燒杯置于焰尖部位加熱，雖然外焰溫度高，但焰尖部位的加熱面積很小，就相當于前例中獨立工作的酒精噴燈.內焰溫度雖然沒有外焰高，但內焰很粗，若將燒杯置于內焰處，加熱面積較大，這就相當于前例中的一堆篝火.不妨大膽地類比水流落體運動時越來越細的現象，猜想，火焰形狀之所以上尖下粗，也許就是為了能夠讓各處的加熱功率相等，也就是說火焰形狀是受能量守恒定律的制約才變成上尖下粗的.

實驗筆者親自做了3組加熱實驗（均符合控制變量法要求）發現使用酒精燈內焰與外焰加熱至燒杯中的水沸騰所需時間基本相同，甚至有一組實驗結果是：用內焰比用外焰加熱更快（筆者猜想可能是用外焰加熱時，熱損失過多所致）.

總結用酒精燈內焰和外焰到底哪個加熱更快？筆者認為，即便真的“外焰比內焰加熱更快”，也絕不是“外焰溫度最高”的功勞，而應該從能量上來尋求合理解釋.總之，“酒精燈外焰溫度最高”與“應該用外焰給物體加熱”之間是沒有因果關系的.