吸热是沸腾的条件吗？

刘旭　张泊　张子硕

摘 要：传统初中物理教学中，认为液体沸腾需要满足两个条件，即达到沸点和持续吸热，但在解释重新沸腾实验时会遇到困难。分别从实验和微观机制两个角度，论述吸热并非沸腾的条件，而是沸腾导致的结果。

关键词：沸腾条件;重新沸腾实验;吸热;逻辑先后

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）6-0062-3

1    重新沸騰实验引发的问题

传统初中物理教学中，认为液体沸腾需要满足两个条件，即达到沸点和持续吸热。但在水重新沸腾实验中，却很难用这两个条件进行解释。水重新沸腾实验原本是一个用来演示沸点变化的实验，将水加热至沸腾后，撤去热源，发现水停止沸腾，通过抽气或浇冷水的方法降低容器中水的沸点至水温以下，便可观察到容器中的水重新沸腾起来，如图1所示。毫无疑问，水重新沸腾实验中，水已经达到了沸点，但是水是否持续吸热了？

“吸热是沸腾的条件”这种表述本身就比较模糊，并未显示出谁吸收了谁的热量。演示水重新沸腾实验之前，学生所理解的“吸热”一般指液体从外部热源吸收热量。而为了使水重新沸腾的实验现象和沸腾条件相符，只能认为水从自身吸收了热量，即容器中的一部分水吸收了另一部分水的热量，从而沸腾了。那么，水又是如何从自身吸收热量的呢？

部分教师认为，水从自身吸收热量是因为水的内部存在温差。的确，绝热是一种理想情况，现实中由于液体和外界之间存在着热传递，液体内部就必然会存在温差。但如果我们承认了液体内部存在温差是一种必然的情形，就会导致“液体沸腾需要吸热”不可被证伪，从科学哲学的角度来看，已然不能称之为一种科学规律。另外，如果把一种必然存在的情形称为条件，那么“液体中存在分子”是否也会被认为是沸腾的条件呢？

水重新沸腾实验引发了一系列问题，迫使教师不停地对知识内容作出补充与修正。另外，沸腾条件在解释暴沸现象时也会面临同样的困难。笔者认为，其中的根本原因在于沸腾条件的表述存在问题，“吸热”能否称为沸腾的条件有待商榷。

2    对传统实验依据的质疑

传统教学中，教师为了说明持续吸热是沸腾的条件之一，一般会补充演示实验作为证据，笔者查阅相关资料，总结出作为证据的实验方案共有两种。

一种方案是将水加热至沸腾后，撤去热源，发现水停止沸腾，于是说明沸腾需要持续吸热。这种方案撤去热源后水温自然会下降至沸点以下，并未满足达到沸点的条件，无法说明水停止沸腾是因为没有吸热还是因为没有达到沸点。

另一种方案如图2所示，利用沸水浴对盛有水的容器进行加热。许多教师认为，经过一定时间可以将小容器中水的温度加热至沸点，却观察不到沸腾现象，原因是小容器内外无温差就无法继续吸收热量，于是说明了水沸腾需要持续吸热。但笔者重复了该实验，发现小容器中的水无法被加热至与沸水浴同温[1]。假设小容器不向外界放出热量，小容器中水温越高，就越不容易从外部沸水浴中吸收热量，必须经过无限长的时间才能用沸水浴将小容器中的水加热至沸点。实际情况中小容器还在向外界放出热量，利用沸水浴把小容器中的水加热至沸点就更不可能了。将小容器密闭完全浸没在沸水浴中是一种减少散热的方法，但密闭的容器又会导致内部水的沸点不可控。因此，这种方案无法呈现出一种可以将水加热至沸点而不再吸热的临界状态[2]。

可见，传统教学中证明持续吸热是沸腾条件的实验都是无效的。如果达到沸点和持续吸热是液体沸腾的两个条件，就应该存在达到沸点但不吸热导致液体无法沸腾的情形，如上文所述，这种临界的情形在现实中却无法呈现。如果液体达到沸点时总会伴随着沸腾（事实上的实验结果也是如此），那么我们就可以认为达到沸点是液体沸腾的充分必要条件，此时再额外增加其他条件就是冗余的。

3    沸腾的产生机制

还有部分教师从命题逻辑的角度进行分析，“液体沸腾，一定伴随着吸热”，其逆否命题为“不吸热，液体就不会沸腾”，从而得出吸热是沸腾的条件之一。然而，物理规律存在逻辑的先后，命题逻辑是无法区分逻辑先后的，因而命题逻辑无法分析得出产生物理现象的条件，即无法区分吸热是沸腾的前提条件，还是沸腾所引起的现象。为了说明吸热是沸腾的条件还是结果，我们需要了解沸腾现象产生的机制。

一般液体内部和器壁上存在微观的小气泡，即汽化核。液体中分子不停地做无规则运动，就会有一部分液体分子进入气泡中。但由于气泡外界压强的作用，最终单位时间内进入气泡的分子数会等于返回液体的分子数，气泡维持着平衡。当气泡内部的饱和蒸气压与气泡外液体压强相等时，气泡便不能再维持平衡，从而胀大浮出液面并将蒸气释放到空气之中，就出现了沸腾现象。液体中分子由于无规则运动进入气泡中，克服分子的引力做功，分子动能减小。想要温度保持不变，就需要从外界补充能量，如果不从外界补充能量，温度就会降低——这便是常说的吸热[3]。

从沸腾的产生机制中可以看出，吸热的逻辑顺序在沸腾之后。而且液体中的分子进入小气泡的过程在沸腾前就已经存在，只不过达到沸点前气泡不能继续胀大。达到沸点后，气泡得以继续胀大并将蒸气释放到空气之中，从而出现了持续吸热的现象。所以，沸腾并非吸热导致的，而应理解为液体一直存在沸腾的趋势，而这种趋势被压强的作用“阻碍”了，达到沸点时，“阻碍”得以消除。

4    沸腾条件的表述

综上，本文关于沸腾的逻辑顺序观点如图3所示，达到沸点在沸腾的逻辑之前，吸热在沸腾的逻辑之后。所以，吸热并非沸腾的条件，而是沸腾导致的结果。在不考虑汽化核这个条件时，液体沸腾的条件只是温度达到沸点。

液体达到沸点时就会沸腾，如果没有外界能量的补充，沸腾的直接结果就是液体温度降低，当液体温度低于沸点时，沸腾停止。在重新沸腾实验中，因为液体温度高于沸点，所以在降温过程中可以持续沸腾一段时间，向过热液体中加入汽化核产生暴沸现象也是同样的道理。液体温度不高于沸点时，想使液体持续沸腾，就需要外界能量的补充。所以，传统教学中的沸腾条件“达到沸点和持续吸热”只是一种基于常见现象的朴素的认识。另外，“外界能量的补充”可以指液体从外界吸收热量，也可以指外界对液体做功。

在物理规律的表述中，不同的措辞也会体现逻辑先后之分。例如“沸腾需要吸热”，“需要”一词便体现出吸热是沸腾的条件之一，逻辑上吸热在前，沸腾在后;如果表述为“沸腾导致吸热”，“导致”一词则体现出吸热是沸腾的结果之一，逻辑上沸腾在前，吸热在后;而另一种表述“沸腾伴随吸热”，“伴随”一词只是对现象进行描述，并不体现逻辑先后顺序。因此，笔者认为“沸腾需要吸热”的说法也是欠妥的，应该表述为“沸腾导致吸热”或“沸腾伴随吸热”。

另外，因为蒸发和沸腾在微观机制上并无本质区别[3]，所以本文观点也适用于蒸发的相关表述。

参考文献：

[1]刘旭.“探究水的沸腾”实验：反思与重构[J].物理教师，2021，42（9）：59-60.

[2]任少铎.初中物理物态变化教学中几处根深蒂固错误的分析[J].物理教学，2021，43（5）：44-45.

[3]李椿，章立源，钱尚武.热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

（栏目编辑    蒋小平）