响水不开，开水不响：过冷沸腾与饱和沸腾

烧过水的人都知道，水将近烧开的时候发出的响声与烧开之后发出的响声是不同的。将近烧开的水发出的响声往往比烧开的水更刺耳。这就是有些人所说的“响水不开，开水不响”。这里面的道理是什么呢？

要弄明白这个问题，就要知道水是怎样烧开的。我们知道，从水的相图可以看出压力与水的饱和温度的关系，如图1中蓝色曲线所示。在压力为1个大气压（1atm）的时候，饱和温度大约为373K（100℃）。也就是说，在1个大气压的压力下，将未饱和的液态水加热到饱和（如图中红色箭头所示），则它就要转变为蒸汽。这就是为什么我们常说水的沸点是100℃。

 

图1  水的相图

(https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_diagram)

但是，在烧水的时候，水壶里面的水升温过程中，水的温度并不是均匀分布的。由于加热元件是对水壶的底部进行加热，所以，水壶通电之后，首先是底部壁面的温度开始升高，当底部壁面温度超过饱和温度一定数值时（注1），壁面附近一个薄层里面的水温也超过了饱和温度，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生气泡，但是这时离开壁面较远的水还未达到饱和温度。因此，离开壁面上升的气泡到达上面的低温水层的时候，又会重新凝结为液态水，这种气泡坍缩的过程对周围流体产生扰动，会产生频率较高的声音（有实验曾测量过大约为1kHz^[4]）。这种沸腾工况叫做过冷沸腾（subcooled boiling，图2），也叫做欠热沸腾，所谓“欠热”，就是指大部分液体的温度仍然低于饱和温度。视频1里面将近沸腾的水正是处于这种沸腾工况，因此发出的声音比较刺耳。

 

图2  过冷沸腾（图片来自[3]）

随着加热继续进行，水壶里面的水温继续上升，由于对流的作用，壁面附近的较热的水会把热量传给上面的较冷的水，终于水壶里面的水全部都达到饱和温度。这时，从底部壁面上升的气泡不再坍缩，而是一直上升到水面并逸出到空气中。这种沸腾工况叫做饱和沸腾（saturated boiling，图3）。由于没有气泡坍缩的过程，所以也就不再有刺耳的声音。

 

图3  饱和沸腾（图片来自[3]）