蒸發與沸騰

蒸發 (Vaporization)與沸騰 (Boiling)
國立臺灣大學化學系陳光彥/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

元素或是化合物從固態或液態轉變成氣態的過程叫汽化，再細分來說，從固態變成氣態叫昇華(sublimation)，而從液態轉變成氣態有兩種形式：蒸發和沸騰。

蒸發的定義

在室溫下，裝在玻璃杯裡的水分子並沒有足夠的動能使之從水溶液逃逸到空氣中變成氣體分子，只有少數動能較大且位於液體表面的水分子能擺脫分子間作用力而變成氣態；剩下的液態水總能量雖然暫時降低（部分能量損失於水分子的相轉變：液→氣態），但是馬上從環境中得到失去的能量（溫度不變，系統處於熱平衡狀態），故蒸發是一個吸熱 (endothermic)的過程，這也是為什麼當汗水從身上蒸發時我們會感到冷。當溫度升高時，具有高動能的水分子增加，也就是說有更多水分子能擺脫彼此的束縛使蒸發的速度變快。

一莫耳液體在一大氣壓下變成氣體所需的熱稱之為「蒸發熱 (heat of vaporization)」，簡寫為H_vap。水具有很高的蒸發熱 (40.7 kJ/mol)，因為水分子之間是以高能的氫鍵鍵結在一起。

沸騰的定義

沸騰是在液體表面和內部同時進行的劇烈汽化過程。每種液體僅當溫度升高到沸點，並繼續吸熱時才會沸騰。以煮開水為例，沸騰時液體內部和玻璃瓶壁上的小氣泡扮演著汽化核的作用，這些小氣泡的蒸汽壓隨著溫度的上升而增加，加熱時小氣泡會逐漸長大且緩緩上升並和其他小氣泡結合成大氣泡，當大氣泡的蒸汽壓增加到與外界壓力相同時，大氣泡會突然上升最後達到水面而破裂並放出水蒸汽，這種劇烈的汽化過程稱做沸騰。因為小氣泡在這裡扮演著汽化核的角色這種過程也可稱做核沸騰(nucleate Boiling)。

值得注意的是，當玻璃與水的接觸面過度光滑時或是液體本身過於純淨而不含雜質時，小氣泡將難以成核，以致於100℃的溫度並不足以使水沸騰，即使在略高於100℃之上仍不沸騰，這時的水會處在過熱狀態 (superheating)。

沸騰也有別種形式，當液體接觸到溫度比液體的沸點還要高許多的物體時，液體和物體表面間會產生一由蒸汽組成的熱絕熱層（圖一），使液體沒辦法快速的沸騰，種延遲的沸騰方式叫做膜沸騰 (film Boiling)。

膜沸騰的現象最常在炒菜時看到，好的廚師在判斷平底鍋的溫度時會先灑幾滴水，如果鍋子的溫度介於100℃到150℃之間，水會很快的沸騰；如果鍋子的溫度超過200℃左右時，最先接觸到鍋子的水分子會瞬間蒸發並形成一由蒸汽組成的熱絕熱層，使的剩下的水要花較多的時間蒸發；當鍋子的溫度達到220℃左右時，水滴可以存活最久的時間，這個現象稱為 萊登佛斯特效應(Leidenfrost’s Effect)，水滴在熱的平底鍋上可以存活最久的溫度叫做萊登佛斯特溫度(Leidenfrost’s Point)。所以當你空手去拿烘箱中的烘好的熱錐形瓶或剛出爐的麵包時，一開始的幾秒內你可能還不覺得燙，是因為你手上些微的水氣瞬間被錐形瓶或麵包的熱度汽化，在你手上形成一層水蒸氣保護膜，等這層水蒸氣薄膜消失後，你就會覺得很燙了。

兩者的異同與區分

以相變化來說沸騰與蒸發這兩個名詞並無區別，無論蒸發或沸騰皆指液體變為氣體的過程，且都要吸收熱量；但是蒸發是溫度低於沸點時（任何溫度）液態轉變成氣態的相變化，通常發生在液體的表面；沸騰則是液體在溫度夠高或壓力夠低時從液態轉變成氣態的相變化，液體劇烈蒸發。

參考資料
1. Zumdahl, S.S. Chemistry, 6th Ed., 483-497.
2. Leidenfrost effect. http://en.wikipedia.org/wiki/Leidenfrost_effect