你会烧开水吗？

　　沸腾的开水我们都很熟悉，从煤气炉上的饭锅到专用的电热水壶，从普通家庭的厨房到发电厂的核反应堆，不需要多长时间，也不需要复杂操作，一锅锅生水很轻易就滚成了沸水。可是，怎么烧好一锅水，你真的知道吗?

　　无需加热水也能沸

　　也许你要说，谁还不会烧开水啊?先不用着急回答，我所说的烧开水，可不是指家里烧来喝的开水，而是在发电厂里烧开水。如何烧好发电厂里的水，这可是一个连科学家都还没能解决的事情。

　　在发电厂中烧开水可不像我们在家里烧开水，发电厂一次要烧开数吨水，将这么多的冷水加热至沸腾需要10多个小时。烧水的过程不仅需要消耗大量能源，能源的利用效率还不高，比如用煤炭烧水，大约65%的能量会白白消耗掉。如何用越少的能量让越多的水沸腾，提高能量转换效率，令许多科学家煞费苦心。

　　好在，发电厂烧开水的目的与家庭烧水的目的并不一样。在家里，我们烧开水是为了用高温杀死水中的病原体，去除开水中可能存在的有毒、有害物质，加热是必不可少的。而在发电厂，烧开水是为了将液态水转变成水蒸气，水蒸气推动涡轮机发电，水蒸气越多、产生得越快，发电效率就越高。这样一来，问题就转化成了如何让水更快沸腾，这就有很多文章可做了。

　　液体的沸腾实际上是液体的汽化现象，影响这种现象的除了温度，还有液体所处环境的压力。液体的沸点并非是固定不变的，在一个标准的大气压下，水的沸点是100℃，当环境气压小于标准大气压时，水的沸点就会下降，在海拔8848米的珠穆朗玛峰顶部，只要加热到71℃，水就会沸腾，如果再将锅炉搬得高一点——宇航员在太空行走时带上一锅水，打开盖子，它会瞬间沸腾。换句话说，如果不考虑温度下降导致的发电效率下降，将发电厂建得越高，发电所消耗的能源就越少，在足够高的地方甚至不需要加热，水也能沸腾。

　　当然，别说将发电厂建到太空，就算只是建到高原山地上也不是一件容易的事，好在我们还可以尝试其他一些降压方法，比如人造真空。物理课上老师也许展示过这样的实验：将常温的水装入一个容器里，然后开始抽走容器里的空气，随着空气的减少，容器里的水慢慢沸腾了起来。另一个实验异曲同工：将水煮沸之后停止加热，等到沸水因为降温停止沸腾后，往容器外壁倒上少量冷水或碎冰，容器里的水又会重新沸腾起来。

　　这些水之所以不需要加热到沸点也能沸腾，其实也与低压有关，抽走容器里的空气，容器内的大气压会下降;用冷水冷却容器，容器内温度降低，里面的水蒸气冷凝成液滴，大气压同样会下降。水的沸点随着大气压下降而下降，降到了一定的程度，水温达到了沸点，于是水就开始沸腾了。在发电厂中，冷水除了有给管道降温，延长管道寿命的作用外，还有通过降温减小管道内的气压，提高水的沸腾效率的隐蔽效果。

　　电荷种子凝聚泡泡

　　虽然通过降压降低水的沸点能提高沸腾效率，但是这种方法是治标不治本的，有没有什么办法能让蒸汽或者说气泡直接增多呢?

　　先让我们了解一下水沸腾时为什么会冒泡。水沸腾时产生的气泡除了水蒸气还有一些溶解在水中的气体，例如O2、CO2、NH3和SO2，水分子之间、水分子和气体分子之间存在一些相互吸引的作用力，我们称之为氢键和范德华键。因为对电子的吸引力不同，不同原子的正负性不同，在水分子中，氢原子带正电，氧原子带负电，不同水分子的氢氧原子相互吸引，它们结合在一起的作用力就叫做氢键。由相同原子组成的分子，比如O2分子是不带电的，微弱的范德华键将这些气体分子与水分子结合在一起。加热时，随着温度升高，气体分子和水分子获得更多的动能，这种能量使所有分子更容易克服水分子的束缚，当动能超过分子间作用力的束缚时，气体分子和水分子就会汽化。

　　从这个角度出发，如果有什么东西能让液态水中的各种分子更容易摆脱分子间的作用力，液态水就能产生越多的蒸汽和气泡。正如雨滴的形成需要一个“种子”，许许多多的小液滴汇聚到尘粒“种子”上最终才能成为大水滴，如果在液态水中加入一个“种子”核心，取代水分子对其他分子的束缚力，它们不就能汇聚成大气泡了吗?

　　美国麻省理工学院的科学家想到了利用电荷。科学家们给凉水提供的“种子”核心是带电的纳米金属颗粒。金属颗粒上还涂有表面活性剂，使金属表面变得更加疏水，从而增加成核速率以形成气泡。研究人员发现，不需要提供更多能源，只需切换电荷，他们就可以将气泡形成速度提高10倍。

　　三重设计加速烧水

　　成也萧何，败也萧何，虽然发电厂烧开水的初衷是为了获得更多蒸汽(或者说气泡)，但是太多的气泡给烧开水带来了负面影响：密密麻麻的气泡铺满了锅炉底部，这层“气泡膜”保护了锅中剩余的液态水，使它们迟迟无法沸腾，进一步增加了能源的损耗。

　　如果你有炒菜的经验就会发现，在热锅中倒入一勺水，这些水需要很长时间才能完全蒸发，最后剩下的水滴还会在热锅中“跳舞”。这正是因为热锅将水滴表面的水快速加热成了水蒸气，这些水蒸气阻隔了热量继续向水滴内部扩散，因此水滴才迟迟无法蒸发，发电厂锅炉底部的“气泡膜”也会起到相似的效果。

　　该如何解决气泡太多，烧水效率下降的问题?最近，美国麻省理工学院的物理学家想到了一个好方法：制造新型“加热棒”。“加热棒”的主体是一系列微米级的空腔管，一支支10微米宽的空腔管按2毫米的间隔排布在锅炉底部，这些空腔管为气泡提供了附着点，气泡附着在空腔管的表面和内壁，就无法形成成片的“气泡膜”，减少了对热量的阻碍，促进了气泡的蒸发。

　　新型“加热棒”一举解决了让人挠头的双重矛盾：既能让液体更快沸腾、产生更多气泡，还避免了气泡成膜，以致影响后续的传热过程，这大大提高了沸腾过程的效率。

　　提高烧开水的效率是一件看似微小实则意义重大的事情，直到今天为止，我们所使用的电能都是其他形式的能源通过烧开水推动涡轮机转化而来的，如果能够提高烧开水的效率，我们获得的电能将成倍增加，这是多么诱人的前景。