你會燒開水嗎？

　　沸騰的開水我們都很熟悉，從煤氣爐上的飯鍋到專用的電熱水壺，從普通家庭的廚房到發(fā)電廠的核反應(yīng)堆，不需要多長時間，也不需要復(fù)雜操作，一鍋鍋生水很輕易就滾成了沸水?？墒牵趺礋靡诲佀?，你真的知道嗎?

　　無需加熱水也能沸

　　也許你要說，誰還不會燒開水啊?先不用著急回答，我所說的燒開水，可不是指家里燒來喝的開水，而是在發(fā)電廠里燒開水。如何燒好發(fā)電廠里的水，這可是一個連科學(xué)家都還沒能解決的事情。

　　在發(fā)電廠中燒開水可不像我們在家里燒開水，發(fā)電廠一次要燒開數(shù)噸水，將這么多的冷水加熱至沸騰需要10多個小時。燒水的過程不僅需要消耗大量能源，能源的利用效率還不高，比如用煤炭燒水，大約65%的能量會白白消耗掉。如何用越少的能量讓越多的水沸騰，提高能量轉(zhuǎn)換效率，令許多科學(xué)家煞費苦心。

　　好在，發(fā)電廠燒開水的目的與家庭燒水的目的并不一樣。在家里，我們燒開水是為了用高溫殺死水中的病原體，去除開水中可能存在的有毒、有害物質(zhì)，加熱是必不可少的。而在發(fā)電廠，燒開水是為了將液態(tài)水轉(zhuǎn)變成水蒸氣，水蒸氣推動渦輪機發(fā)電，水蒸氣越多、產(chǎn)生得越快，發(fā)電效率就越高。這樣一來，問題就轉(zhuǎn)化成了如何讓水更快沸騰，這就有很多文章可做了。

　　液體的沸騰實際上是液體的汽化現(xiàn)象，影響這種現(xiàn)象的除了溫度，還有液體所處環(huán)境的壓力。液體的沸點并非是固定不變的，在一個標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓下，水的沸點是100℃，當(dāng)環(huán)境氣壓小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，水的沸點就會下降，在海拔8848米的珠穆朗瑪峰頂部，只要加熱到71℃，水就會沸騰，如果再將鍋爐搬得高一點——宇航員在太空行走時帶上一鍋水，打開蓋子，它會瞬間沸騰。換句話說，如果不考慮溫度下降導(dǎo)致的發(fā)電效率下降，將發(fā)電廠建得越高，發(fā)電所消耗的能源就越少，在足夠高的地方甚至不需要加熱，水也能沸騰。

　　當(dāng)然，別說將發(fā)電廠建到太空，就算只是建到高原山地上也不是一件容易的事，好在我們還可以嘗試其他一些降壓方法，比如人造真空。物理課上老師也許展示過這樣的實驗：將常溫的水裝入一個容器里，然后開始抽走容器里的空氣，隨著空氣的減少，容器里的水慢慢沸騰了起來。另一個實驗異曲同工：將水煮沸之后停止加熱，等到沸水因為降溫停止沸騰后，往容器外壁倒上少量冷水或碎冰，容器里的水又會重新沸騰起來。

　　這些水之所以不需要加熱到沸點也能沸騰，其實也與低壓有關(guān)，抽走容器里的空氣，容器內(nèi)的大氣壓會下降;用冷水冷卻容器，容器內(nèi)溫度降低，里面的水蒸氣冷凝成液滴，大氣壓同樣會下降。水的沸點隨著大氣壓下降而下降，降到了一定的程度，水溫達到了沸點，于是水就開始沸騰了。在發(fā)電廠中，冷水除了有給管道降溫，延長管道壽命的作用外，還有通過降溫減小管道內(nèi)的氣壓，提高水的沸騰效率的隱蔽效果。

　　電荷種子凝聚泡泡

　　雖然通過降壓降低水的沸點能提高沸騰效率，但是這種方法是治標(biāo)不治本的，有沒有什么辦法能讓蒸汽或者說氣泡直接增多呢?

　　先讓我們了解一下水沸騰時為什么會冒泡。水沸騰時產(chǎn)生的氣泡除了水蒸氣還有一些溶解在水中的氣體，例如O2、CO2、NH3和SO2，水分子之間、水分子和氣體分子之間存在一些相互吸引的作用力，我們稱之為氫鍵和范德華鍵。因為對電子的吸引力不同，不同原子的正負(fù)性不同，在水分子中，氫原子帶正電，氧原子帶負(fù)電，不同水分子的氫氧原子相互吸引，它們結(jié)合在一起的作用力就叫做氫鍵。由相同原子組成的分子，比如O2分子是不帶電的，微弱的范德華鍵將這些氣體分子與水分子結(jié)合在一起。加熱時，隨著溫度升高，氣體分子和水分子獲得更多的動能，這種能量使所有分子更容易克服水分子的束縛，當(dāng)動能超過分子間作用力的束縛時，氣體分子和水分子就會汽化。

　　從這個角度出發(fā)，如果有什么東西能讓液態(tài)水中的各種分子更容易擺脫分子間的作用力，液態(tài)水就能產(chǎn)生越多的蒸汽和氣泡。正如雨滴的形成需要一個“種子”，許許多多的小液滴匯聚到塵?！胺N子”上最終才能成為大水滴，如果在液態(tài)水中加入一個“種子”核心，取代水分子對其他分子的束縛力，它們不就能匯聚成大氣泡了嗎?

　　美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家想到了利用電荷?？茖W(xué)家們給涼水提供的“種子”核心是帶電的納米金屬顆粒。金屬顆粒上還涂有表面活性劑，使金屬表面變得更加疏水，從而增加成核速率以形成氣泡。研究人員發(fā)現(xiàn)，不需要提供更多能源，只需切換電荷，他們就可以將氣泡形成速度提高10倍。

　　三重設(shè)計加速燒水

　　成也蕭何，敗也蕭何，雖然發(fā)電廠燒開水的初衷是為了獲得更多蒸汽(或者說氣泡)，但是太多的氣泡給燒開水帶來了負(fù)面影響：密密麻麻的氣泡鋪滿了鍋爐底部，這層“氣泡膜”保護了鍋中剩余的液態(tài)水，使它們遲遲無法沸騰，進一步增加了能源的損耗。

　　如果你有炒菜的經(jīng)驗就會發(fā)現(xiàn)，在熱鍋中倒入一勺水，這些水需要很長時間才能完全蒸發(fā)，最后剩下的水滴還會在熱鍋中“跳舞”。這正是因為熱鍋將水滴表面的水快速加熱成了水蒸氣，這些水蒸氣阻隔了熱量繼續(xù)向水滴內(nèi)部擴散，因此水滴才遲遲無法蒸發(fā)，發(fā)電廠鍋爐底部的“氣泡膜”也會起到相似的效果。

　　該如何解決氣泡太多，燒水效率下降的問題?最近，美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家想到了一個好方法：制造新型“加熱棒”。“加熱棒”的主體是一系列微米級的空腔管，一支支10微米寬的空腔管按2毫米的間隔排布在鍋爐底部，這些空腔管為氣泡提供了附著點，氣泡附著在空腔管的表面和內(nèi)壁，就無法形成成片的“氣泡膜”，減少了對熱量的阻礙，促進了氣泡的蒸發(fā)。

　　新型“加熱棒”一舉解決了讓人撓頭的雙重矛盾：既能讓液體更快沸騰、產(chǎn)生更多氣泡，還避免了氣泡成膜，以致影響后續(xù)的傳熱過程，這大大提高了沸騰過程的效率。

　　提高燒開水的效率是一件看似微小實則意義重大的事情，直到今天為止，我們所使用的電能都是其他形式的能源通過燒開水推動渦輪機轉(zhuǎn)化而來的，如果能夠提高燒開水的效率，我們獲得的電能將成倍增加，這是多么誘人的前景。