术语广角
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烧开水时,能够看到白色的“水汽”,它是什么?是水蒸气吗?这是本系列首篇文章发出后,一位老师提出的问题。
他的疑问点,主要在于此:水的气态形式——“水蒸气”,是无色、无味,不可见的,当“水汽”已能够为人所直接看到时,它必然不会是“水蒸气”!据他对物理课讲解内容的回忆,这种“水汽”,应属于液态水。
为了回答上述这个疑问,我感到(自看到它时,就不由得有这个念头),有必要做进一步的剖析,把这个“水汽”的故事,讲得更完整些:水怎样存在?有哪些是“水汽”?它们怎么能被我们所看见呢?······一些由初始问题衍生的问题······继续衍生······
在地球这个星球上,水在其表面、大气空间,地壳及其更深的内部,以不同的形态、不同的量存在着。地球在宇宙中不断运动,在宇宙空间中的位置、姿态、内外部运动状态不间断地发生改变,其拥有的水——数不清的、大量的水分子,亦是如此,它们一刻不停地运动,遵循基本的物理规律,以一种混沌、难以预知的方式,完成它们各自的运动轨迹······无法描述。
放弃从分子尺度上追踪水分子的命运,我们用眼睛来观察,用大脑来思考,可以得出这个结论——水,是可以被理解的。
除了我们熟知的固态水(冰、雪、霜),液态、可流动的水(自然水体、生活/生产用水和饮用水),我们也常常(或偶尔)看到这些“水汽”:
1)水沸腾(如蒸煮烹饪)时产生的白汽;
2)管道某处高速喷出的白汽;
3)利用干冰产生的缭绕雾气(如将干冰放入水中,会产生比空气中多得多的雾气);
4)浴室中弥漫的雾气;
5)冬天室外,口鼻呼出的白汽,还有,温泉散发的白汽;
6)喷泉产生的水雾;
7)加湿器产生的白汽/雾气;
8)雾霾(某些气象条件下,或某些地域发生);
9)沿海高速公路上的“团雾”;
10)高空中的云;
11)人造雾(利用造雾剂);
······
上述提到的可见“水汽”“雾气”,与本文开头提出的问题中的白汽一样,均不属于水蒸气的范畴。它们的形态,它们的产生机理,它们的形成和消逝,都是非常有趣的,试述如下:
我们知道,也有这样的生活体验:“高温”的水蒸气,当遇冷时,往往会有白汽产生,并能凝结成水(孩子们最喜欢在窗户玻璃、梳妆台镜子上呵气做画了)。这个解释没有为我们解答:为什么水汽会凝结,也能够凝结?它为什么稍瞬即逝?
当不发生剧烈的冲击,仅涉及热的交换时,空气中的水蒸气的凝结,主要是由于如下原理:空气的“饱和水蒸气压力”(指在一定温度下,空气中水蒸气呈饱和状态时水蒸气部分所产生的压力,亦有称“饱和水汽压力”的),随温度下降而下降,单位体积空气所能容纳的水蒸气的量减少了,于是水蒸气析出,生成很小的小水滴,放出热量(气相到液相,释放热)。由于尺寸很小,而周围环境的空气湿度相对较低,且快速流动(意味着可以容纳更多水分),这些雾状分散在空气中的小水滴产生后,又非常快地(仅1s左右)蒸发消散了。
由于水在大气中,主要是以水蒸气形式存在,但也存在云、雨、雾、冰雹等多种形式,故而大气学将“空气中的水蒸气”定义为“水汽”。
除了水的冷凝,空气中漂浮的“雾”,也颇值得一说。理论上,真正的雾,是由大量由细小的凝结核(粒径0.1~5μm)吸附水分生成的微小液滴所组成的。在工地、部分游乐设施的露天排放场所,能够看到一种造雾机,其通过高速喷头喷出大量水雾,可以起到一定的降温防尘作用,但这种水雾很短时间就蒸发了,不能持久存在。能够较稳定地存在一段时间的人造雾,可以通过蒸汽冷凝产生,但更合适的,是使用具备较好吸湿性能的造雾剂,通过使其在理想的湿润空气中分散,生成想要达到的造雾效果。人工造雾剂在空气中分散后,得到粒径很小(约0.1μm)的微粒,在这样微小的尺度下,其可作为溶质溶解于水,围绕它这个核心,在表面形成一个曲率较大的球面,在这一球面的上方,由于盐溶液的饱和水蒸气压力较纯水的饱和水蒸气压力小,使这一微观空间的空气湿度达到或接近过饱和,使得空气中的水分析出,在小球表面集聚,使雾粒生长变大。常温下,人造雾的持续时间只有几十min,远不如天然云雾[处于高空的低温环境(可低至约-20℃)中]稳定,与环境温度、湿度、凝结核数量、空气流动状况等有关。
蒸汽(这里指水的蒸汽,也是目前已得到定名的术语,但实际上,还有其他类型的蒸汽工质,如氮蒸汽、跨临界二氧化碳蒸汽,它们都属于“蒸汽”),是一种重要的传热工质,也作为一种二次能源(如由一次能源燃煤转化),在电力、化工、石油开采、交通运输等领域发挥着重要作用。(水)蒸汽的工作温度、压力范围,从常压、中低温到高压、超高温(0.1-35MPa,250-700℃),涉及蒸汽发生器、管线、锅炉、换热器、阀门、再热设施、冷凝器及回收装置等一系列设备,需做脱氧、脱空气处理。为了保障设备的设计使用寿命,须对使用过程中的蒸汽及冷凝水水质做出严格限制,其中的气体、金属及部分化学物质含量,不得超过规定的限值。作为一种流体,蒸汽在传输过程中并不能够恒压、恒温、均相、匀速地流动,受流体黏度、距离、管输长度、阀门和管道的形状及材质等等因素影响,蒸汽的压力、密度往往可能急剧变化,导致液相的产生、管道过热、管内流速和压力发生波动,甚至造成“闪蒸”“空化”(因流速、压力的突然变化造成流体内部气泡的快速产生和破溃)现象,产生高速的能量波冲击,对设备造成严重损害。
当蒸汽的温度、压力超过临界点(373.964K,22.064mPa)时,还会得到一种具有特殊性质的所谓“超临界蒸汽”——气相和液相的区别消失,成为一种均相。以超临界蒸汽作为工质的超(超)临界汽轮机组,与常规汽轮机组相比,具有更高的热效率(可达50%以上,常规机组仅有30%多),但代价是设备造价更大,因为超临界蒸汽的温度、压力大大提高,对设备的腐蚀性也更大,要求使用物理性能更好的材料(航天耐热材料的开发,为此打下了良好基础)。在某些海底,亦存在一种非人工制得的水——超临界水,其喷口处亦有生命生存,被认为可能是生命的源头之一。
现在,我要用一幅新的图,为本文作结: