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電廠的核反應堆，不需要多長時間，也不需要復雜操作，一鍋鍋生水很輕易就滾成了沸水。可是，怎么燒好一鍋水，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，而是在發電廠里燒開水。如何燒好發電廠里的水，這可是一個連科學家都還沒能解決的事情。

　　在發電廠中燒開水可不像我們在家里燒開水，發電廠一次要燒開數噸水，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，提高能量轉換效率，令許多科學家煞費苦心。

　　好在，發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，加熱是必不可少的。而在發電廠，燒開水是為了將液態水轉變成水蒸氣，水蒸氣推動渦輪機發電，水蒸氣越多、產生得越快，發電效率就越高。這樣一來，問題就轉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象，影響這種現象的除了溫度，還有液體所處環境的壓力。液體的沸點并非是固定不變的，在一個標準的大氣壓下，水的沸點是100℃，當環境氣壓小于標準大氣壓時，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致的發電效率下降，將發電廠建得越高，發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。

　　當然，別說將發電廠建到太空，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，抽走容器里的空氣，容器內的大氣壓會下降;用冷水冷卻容器，容器內溫度降低，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，不同原子的正負性不同，在水分子中，氫原子帶正電，氧原子帶負電，不同水分子的氫氧原子相互吸引，它們結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，如果有什么東西能讓液態水中的各種分子更容易擺脫分子間的作用力，液態水就能產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粒“種子”上最終才能成為大水滴，如果在液態水中加入一個“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?

　　美國麻省理工學院的科學家想到了利用電荷。科學家們給涼水提供的“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。研究人員發現，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。

　　三重設計加速燒水

　　成也蕭何，敗也蕭何，雖然發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。

　　如果你有炒菜的經驗就會發現，在熱鍋中倒入一勺水，這些水需要很長時間才能完全蒸發，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向水滴內部擴散，因此水滴才遲遲無法蒸發，發電廠鍋爐底部的“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，美國麻省理工學院的物理學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。

　　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、產生更多氣泡，還避免了氣泡成膜，以致影響后續的傳熱過程，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。