蒸發與沸騰

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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Hvap。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

There are 12 comments for this article
  1. 阿義 at 12:55:58

    蒸發 不用到沸點
    但是
    水要維持在氣體狀態 也不用嗎?
    不是說 在一大氣壓下
    零度到一百度中間的水 是液體嗎?

  2. vmkljce at 11:17:07

    您好:
    您所提出之問題,我們已請責編老師解答
    待老師回覆後,我方亦會將答案貼於此處
    再次感謝您的細心閱讀喔
    高瞻助理
    雅婷敬上

  3. vmkljce at 13:41:53

    首先感謝阿義的提問:
    而您的問題,責編老師回答如下:

    標準狀況下 水的沸點為攝氏100度
    也就是說一大氣壓下 溫度超過攝氏100度
    水會全部變成水蒸氣

    當溫度低於攝氏100度時
    水也會蒸發為水蒸氣
    溫度升高時 越來越多的水變成水蒸氣
    使得水蒸氣的壓力越來越大 (還是小於一大氣壓)
    直到溫度到達沸點 水蒸氣的壓力變成一大氣壓

    即使是冰 冰表面還是會有水蒸氣的
    只是水蒸氣很少很少 水蒸氣壓很小

    希望對您有幫助。

    高瞻助理
    雅婷敬上

  4. hongamyany at 12:56:35

    那”沸點”又如何去判斷?
    那如果杯壁粗糙的,那麼又會對沸騰(沸點)造成何種影響?
    氣溫對於沸點的影響為何?

  5. 阿叡 at 15:12:17

    第一句就怪怪的, 是後來修訂版本嗎? 以前的課本應該是:
    固態到液態是溶化
    液態到氣態勢汽化
    固態到氣態是昇華

  6. teresa at 12:39:55

    阿叡您好
    經責編確認,本文並沒有錯誤喔!

    管理員teresa敬上

  7. tyy at 08:45:33

    你好!想了解,為何固態至液態不稱為熔化,而是稱為昇華(sublimation)呢?因為從書本或網頁上,他們對於sublimation這個名詞的解釋是由固態變成液態,即Sublimation is the conversion between the solid and the gaseous phases of matter, with no intermediate liquid stage. 谢谢。

  8. ntucase at 20:06:41

    tyy你好,

    謝謝你發現文章中的錯誤。
    「固態至氣態(誤植為液態)不稱為熔化,而是稱為昇華(sublimation)。」
    已進行更正。

    編輯ntucase敬上

  9. 蒸發熱與汽化熱 at 12:09:25

    請問您蒸發熱與汽化熱都一樣嗎?就以水蒸發與沸騰時都是540cal/g?

  10. 科學Online at 10:34:19

    蒸發熱與汽化熱 您好

    責編回應如下:
    「不論是蒸發還是沸騰都是液態水變成氣態,所以相變化所需的熱能都一樣」

    管理員 敬上

  11. B.zero1 at 10:29:39

    謝謝你們這麼用心的回文,正好要做一篇《空調蒸汽加濕系統》的資料,
    能否請教水蒸汽與乾空氣的分子量是否為水蒸汽較輕,乾空氣較重呢?
    謝謝~!

  12. LibraHVAC at 18:26:06

    To B.zero1:

    個人淺見,水蒸氣的分子量也還是水,乾空氣就是以氮氣和氧氣為主的混合體
    確實水較輕,空氣較重

    另外,想請教一下編輯老師幾個問題
    1. 潛熱跟汽化熱應該怎麼分辨?
    http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2720

    2. 40.7kj/mol是水的蒸發熱,這個數據是由什麼實驗得知的?
    我的想法是,一莫耳的水液體變氣體,需要了解該液體的溫度升到100℃時需要增加多少熱量
    然後100℃的水變100℃的水蒸氣的相變化,只是怎麼計算都算不出40.7kj/18g的數據
    (1mol 的水 = 18g的水)

    從回覆的時間來看,這些回覆被回答的時間都很久
    方便請您們寄email給我嗎?我很喜歡這個網站
    科普知識很豐富,感恩編輯,感恩工作人員,再請您們幫忙了

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