微波炉加热清水之新路径探究

摘 要：微波炉是我们平时常用的加热食品的工具，而现在网上频繁传出用微波炉加热水，导致水体暴沸致人受伤事件。本文从水的微观结构出发，分析水加热过程及沸腾现象的微观机理。从而解释过热液体及暴沸现象出现的原因。并结合实验，探究微波炉烧水导致水体过热的深刻内涵。并提出解决此现象的科学方法，加以实验验证。

关键词：过热液体； 暴沸； 汽化核； 麦饭石

中图分类号：R123.1 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2012）01-175-002

一、关于液体汽化理论的解释

沸腾过程。在传统的烧水方式中，所使用容器（水壶）内表面是带有大量微小孔洞的，这些孔洞中存有肉眼不可见的气泡。这些气泡的尺寸相对于水分子很大。其表面相对于水分子而言与整个水体表面无二。在加热水时，水分子热运动加剧，小气泡附近具有较大动能的分子逃逸至小气泡内。这些小气泡起到了汽化核的作用。[1]当水温升至沸点时，小气泡附近大动能分子涌入这些小气泡内，使得小气泡迅速膨胀。在浮力的作用下小气泡最终浮出水面将其内部分子及其所携带的能量释放到空气中，形成沸腾现象。而在原小气泡处，会残留一小部分空气附着于器壁之上而继续充当汽化核，以使液体持续沸腾。

过热液体形成。可以预见，如果足够量的水被加热足够长的时间，容器壁上所贮存的小气泡几乎消耗殆尽。这时，液体内部的分子，因没有足够的空间拉大彼此之间的的距离，而不能变为气态。[2]仅靠蒸发所带走热量不能平衡水体于外界吸收的热量。能量囤积于水内部，使得水温超过沸点也不沸腾，即形成了过热液体。此时，当外界施加一轻微扰动（如：杂质混入水中或水体轻微震动）于水体，看似平静的水便会立刻爆炸似的沸腾起来——暴沸。其原因为：扰动会使得少量空气混入水中，液体内部出现汽化核。此时，大量水分子会涌入气体内部，变为气态，并大量放热，使水温回归沸点。

假定有这样一个容器，其内表面足够光滑而无法贮存任何微小气泡，在以这样的容器烧水时，由于水内部没有小气泡所充当的汽化核，当加热足够长的时间，致使其形成过热液体。此时人无法根据液体是否沸腾而判断其温度，贸然将盛水容器取出，难免不使其发生晃动，使过热液体暴沸，此时高温液滴飞溅，有可能对人身造成伤害。近些年来，网上频传以微波炉烧水导致水体暴沸致人受伤事件屡有传出。下面，我们结合上边对水汽化微观机理的分析以及微波炉的加热原理来分析这种情况发生的内在原因。

二、微波炉加热原理及麦饭石原料的引入

众所周知，微波炉是以微波来对食物进行加热的装置。在其工作时，会释放出微波辐射炉腔内的食物。由于（食物内的）水分子为极性分子，在微波的作用下，其极化取向会不断变化导致其振动频率随之增大，进而导致其周围分子的振动加快，从而使食物温度升高。而微波炉用加热器具多为玻璃或陶瓷制器皿，由于容器内表面光滑，不能贮存微小气泡，即没有汽化核，而无法出现沸腾现象。由于没有沸腾现象，我们便不能判断液体的具体温度，从而发生过热液体暴沸的危险情形对人体造成伤害。为证实如上论断以下将对以往研究经验予以简要描述，进而在此基础之上，找到一种恰切的解决方案。

在制取乙烯的试验中[3]，为防止液体暴沸，要向液体内放入少量沸石或碎瓷片。其原理在于:沸石或是碎瓷片一般具有多孔质结构，其内部可贮存有有一定量的小气泡，这些小气泡充当汽化核。根据以上分析，我们同样可以在用微波炉加热水时，在水中加入少量沸石或是碎瓷片防止暴沸现象。但出于卫生原因，以上两者不能为烧水所用。但通过对比，我们可用一种神奇的石头——中华麦饭石来取代沸石或是碎瓷片。

麦饭石是一种天然药物矿石。科学研究表明：麦饭石具有多孔质结构，并含有大量人体所需的微量元素。[4]且于《本草纲目中》记载：“麦饭石气味甘温无毒，主治一切痈疽发背”。[5]在加热水时向其中投入麦饭石，可起到与沸石相同的作用，其孔洞状结构可吸附水中的杂质起到净化水体的作用。麦饭石浸没于水中时，其所含有的微量元素会溶入水中，从而使得水对人体大有裨益。因此，在为节省时间而选用微波炉烧水时，可向水中加入少量麦饭石块。这样在方便快捷烧水的同时，消除了水体暴沸所带来的安全隐患，而且使得烧出来的水富含微量元素。为证实这一操作的可行性，作者设计如下实验。

用微波炉-麦饭石块-干净玻璃杯-温度计（0℃-200℃）进行如下操作：

1.用水壶烧水直至壶内的水沸腾，并维持一段时间。在此期间内测量水的温度——水的沸点为100℃。并观察到液体内部出现气化现象时，小气泡总是在容器内表面出现。

2.向干净玻璃杯中加入35mL自来水（约占杯子容积的1／4），并将其放入微波炉中加热6min左右。维持温度计示数于沸点附近。加热完毕后，将水杯迅速平稳的从微波炉中取出，在将其端出时，水体小区域内出现沸腾现象。立即用温度计测量水的温度。观察到温度计示数先增大后减小且最高可达105.8℃。并且在温度计插入液面以下时，可明显地观察到在温度计周围水域中，有气泡冒出。原因在于玻璃容器表面光滑，无法在其表面储存充当气化核的小气泡，故水不会沸腾。而在取出的过程中，手的抖动导致水面的晃动，使得外界少量气体混入水中，故而此过程中在水表面附近出现局域沸腾现象。在测量其温度时，少量气体会随着温度计进入水中，故而在温度计附近出现局域沸腾现象。且将水杯从炉腔内取出的过程中，系统必然向外散热，温度计的示数表明，在水杯从微波炉取出后的小段时间内，水温明显高于沸点。可以预见，在微波炉停止加热时，水温应明显高于其沸点。从而印证了刚从微波炉中取出的水是过热液体。

3.再于此杯中加入35mL自来水（约占杯子容积的1／4）并放入微波炉中加热6min左右，在加热过程中，透过微波炉玻璃窗观察到杯内水体很平静。加热完毕后，将水杯迅速平稳地从微波炉中取出，水体依然平静，随后迅速向水中加入少量咖啡末，观察到水立刻爆炸式地沸腾起来，且由原杯1/4处迅速上涌并溢出至杯外，并随有少量液滴飞溅。而后水面迅速下降。说明在加入咖啡末时，会向水中带入大量的空气，这些空气充当了原水中缺乏的气化核，使得处于过热状态的水，发生了暴沸现象并放出大量的能量，致使其自身温度降低至沸点以下。

4.将此杯洗净，并在杯中投入2-3块麦饭石块。并向水杯中加入自来水，使总体积达到220mL。

将水杯放到微波炉内加热10min左右。在此过程中，透过微波炉小窗子观察，在加热过程后期，可明显观察到杯中水出现沸腾现象。待加热完毕后，在打开炉门仍可观察到沸腾现象，且气泡由麦饭石表面溢出，将杯子迅速平稳的从炉腔中取出，向其中加入咖啡末，水中只有极微量气泡冒出，而观察不到暴沸现象。说明：向水中加入麦饭石可有效地避免液体过热现象。因而，我们可以根据日常生活经验来大致判断水的温度，进而有效地避免过热液体对人体造成伤害。同时也证实了，并不是微波辐射的加热方式，使水发生液体过热现象。

三、简要结论

通过以上理论分析及实验操作可知：在以微波炉烧水时，容器表面过于光滑，致使其无法贮藏微小气泡即不存在气化核。长时间加热，必导致水体过热，而非微波炉加热方式所致。向水中投入少量干净的麦饭石可防止这种现象发生使水沸腾。这样既保证了水可以正常沸腾，同时还保留了能源利用率更高，更环保，耗时更短等优点，且当麦饭石在水中浸泡后，其内部微量元素扩散至水中，使得水体富含营养，对人体大有裨益。

从微波炉的发明至今已有60余年[6]的历史，如今它已走进千家万户，给寻常百姓的生活带来了便利。沸腾更是常见的物理现象。而正是由于我们对这些习以为常的事物并不甚了解，才致使安全隐患隐藏在我们周围。一块麦饭石，不仅能为我们除去这潜在的隐患，而且还会为我们带来意想不到的惊喜。这无不提醒我们，要对平时习惯了的东西多加思考，充分了解其本质，利用自己所掌握的科学知识去解释生活中的一切，改变自己的生活，使生活变得更加美好。

参考文献：

[1]项贤民．分子动理论对水的沸腾现象的解释，载于《物理教师》，2002年，第23卷，第九期

[2]秦允豪．热学，高等教育出版社2001年版，第314页

[3]全日制普通高级中学化学教科书（必修加选修）第二册，人民教育出版社，2003年6月第一版，第122页

[4]王银叶，马玉兰，史艳娇．活性麦饭石孔结构的探讨及应用，载于《天津化工》，2003年3月（第17卷），第2期

[5]李时珍．本草纲目金陵本，总52卷，第08册，石部第十卷，石之四

[6]第一台家用微波炉于雷声公司于1947年推出