对于℃的水和水蒸气而言,它们之间当然是存在着相当大的区别的,否则就没有这篇文章了。
尽管它们的温度是相同的,而且组成它们的物质也是一样的。但毕竟他们一个是气态,一个是液态,所以要说他们之间没有区别肯定是不可能的。
问题的关键是它们之间的区别在何处?
对这个问题的解答,就需要从水和水蒸气最本质的形成原因出发来讨论。我们知道,在标准大气压下,水的饱和温度大约是℃。之所以是“大约”,因为实际上在标准大气压下,离℃还存在着非常微小的差别。这边我们暂时不去考虑这个差别。
如果现在有一盆水,我们知道当它加热到℃的时候就会开始汽化。对于这样一个特殊的状态,我们称之为是饱和水。
饱和水只是一个瞬间的状态,而我们接下来就要对这样一个瞬间状态进行讨论。我们假设当水达到饱和状态以后,瞬间阻断所有的热量输入,请问饱和水是否还会自动变成水蒸气?
这个问题的答案是一个关键,当然我们现在可能暂时无从给出回答。那么这边可以举一个例子说明。假设有一个人站在悬崖边上,只要他再向外踏出一步,他就会从悬崖上掉下去。但如果在之后的时间他不再向前移动哪怕1mm的距离,请问他会掉下去吗?
答案是显而易见的,不可能掉下去,除非悬崖突然塌掉了。当然悬崖塌掉这个情况不在今天的讨论范围之内。
对于饱和水也是一样的情况,水只要再往前走一步,它就会变成水蒸气。但是水不是人,它没有自主的行动能力。所以它不会主动由饱和水状态变成水蒸气,就像悬崖上的一块石头不会自己滚下去。如果石头从悬崖上滚下去,那一定是有人踢了它,或者别的外力因素作用。
同样的道理,由饱和水变成水蒸气,也一定是需要外力的作用,也就是热量的输入。
这其实就是℃的水和同样温度水蒸气之间最大的差别,℃的水需要继续吸收热量才可以转变为℃的水蒸气。从饱和水到蒸汽状态所需要吸收的热量,我们称之为是汽化潜热。
这一股热量是非常庞大的。我们把水从0℃加热到℃,只需要kj/kg的热量。但是如果我们想把饱和水变成水蒸汽,则需要kj/kg的热量。后者是前者的五倍之多,所以℃的水蒸气中蕴含的能量,要远远大于℃的水。
这其实就可以解释为什么相同的温度下水蒸气所造成的烫伤,要远远严重于同温度下的水。
而在燃煤电厂中所使用的蒸汽,往往是一千多度的过热蒸汽(随锅炉的规模不同而不同),这种蒸汽所蕴含的能量更是难以想象的。一旦这里面出了问题,所造成的结果也是灾难性的。
其次水吸收热量转变成水蒸气,其内部到底是什么发生了变化?
首先要明确一点,水分子是不会发生任何变化的。水分子一旦发生变化,水就不能算水了,而水蒸气依旧是属于水的范畴。
其实水从液态变成汽态过程是很简单的,无非就是体积发生了膨胀而已。这一体积的膨胀产生的原因,无非就是水分子之间的距离变大了。我们知道分子是每时每刻都在做无规则热运动的,而分子所具有的能量越高,其热运动的剧烈程度就越强。
这就是原因,伴随着水吸收热量的过程,水分子的热运动越发剧烈。这就导致原有的分子间作用力难以继续约束水分子,水分子之间的距离也就越来越大,最终变成了水蒸汽。
水一旦变成水蒸气了以后,密度就会大大减小,所以会向上飘走。