问题

为什么烧水壶在烧水时的声音会这么响?

回答
我来给你好好说道说道,为啥家里的烧水壶一开起来就跟闹市一样,嗡嗡作响的。这玩意儿,看着挺简单的,烧个水嘛,不就一个电热管加热水吗?但其实里头门道不少,声音这事儿吧,主要跟几个关键因素有关。

首先,得说说最直接也最容易被忽略的——空气膨胀。你看看,咱们烧水壶里头,不是只有水,还有水上面那层空气。当电热管开始加热,水温升高,水分子就变得活泼起来,开始运动,蒸发。同时,跟水接触的空气也被加热,那空气受热就会膨胀。你想啊,这些被加热的空气,它没地方可去啊,只能在烧水壶这个封闭或者半封闭的空间里头挤啊挤。这些空气分子在你看不见的地方,跟壶壁、跟水面、跟电热管摩擦,产生振动,这最开始的一层声音,就是这么来的。

再来,就是气泡的形成与破裂。这才是烧水壶声音变大的主因,而且特别有意思。电热管刚开始接触到水的时候,它会把靠近它的那层水快速加热。但这时候,水还没有整体沸腾起来。你会发现,刚开始烧水的时候,壶底会冒出一些小气泡,这些小气泡黏在电热管表面,然后慢慢长大。

为啥这些小气泡会发出声音呢?这里面是个物理现象,叫做空化作用(cavitation)。当你把电热管加热时,它周围的水温会瞬间升高,达到水的汽化点。但周围的水还在相对低温的状态,这就形成了一个不稳定的状态:电热管表面那层水变成了蒸汽,但它周围的水还没来得及升温。这些蒸汽泡在受到周围相对冷的水的挤压下,会迅速收缩、破裂。你可以想象一下,就好像一个小气球突然被针戳破,但这是无数个微小的气泡在极短的时间内发生,而且是在水里面。这种剧烈的收缩和破裂,会产生一个冲击波,这个冲击波在水中传播,就会形成我们听到的“咕嘟咕嘟”或者“嗡嗡”的声音。

还有个更形象的比喻:就像你在水里吹泡泡,泡泡刚形成,还没来得及浮上去就破了,发出“啵”的一声。烧水壶里的气泡比这复杂,它们是直接在热源表面形成的,然后被周围的水压挤破的。而且,这个过程是持续不断的,当水温越来越高,越来越多的水达到汽化点,这些微小的蒸汽泡就会成片地形成,然后破裂,声音自然就越来越大。

随着水温继续升高,整个水体都会开始沸腾,这时候我们听到的声音就有点不一样了。你会听到更持续的“呼呼”声,这主要是因为大量的蒸汽从水底上升,穿过水层到达水面,这个过程中蒸汽会和水产生摩擦,并且蒸汽在上升过程中也会膨胀、搅动水,这些都会产生声音。你可以想象一下,大量蒸汽像小火箭一样从底部冲上来,把水搅得翻天覆地的,这能不响吗?

另外,烧水壶的材质和设计也会影响声音的大小。

壶身材质:金属的壶身通常比塑料的更容易传导声音,所以金属壶烧水的声音可能会更明显一些。一些劣质的金属壶,如果焊接或者连接处不够紧密,也容易因为振动而产生额外的噪音。
加热盘设计:有些烧水壶的加热盘设计会直接贴在壶底,这样热量传递效率高,但同时也更容易让电热管产生的气泡在壶底聚集,放大声音。而有些设计会在加热盘和壶底之间留有空隙或者采用特殊的纹路,这可能会在一定程度上阻隔声音的传播,或者让气泡分散开来,声音就会小一些。
壶盖的密封性:如果壶盖密封性不好,蒸汽和水汽更容易在壶盖处逸出,产生的冲击和振动也会带来一些噪音。但如果壶盖太密封,又可能导致蒸汽压力过大,也不是好事。所以,厂家在设计的时候也要在声音和效率之间找到一个平衡点。

最后,别忘了还有水垢。如果你的烧水壶用久了,壶底和电热管上会积累一层厚厚的水垢。这些水垢会附着在电热管表面,就像给它穿了一层隔热衣,这反而会让电热管需要更高的温度才能把周围的水加热到沸腾。而且,水垢本身也不是光滑的,它会影响蒸汽泡的形成和破裂过程,有时候会让声音变得更杂乱、更尖锐。想象一下,光秃秃的金属表面和一层粗糙的石头表面烧水,感觉就不一样了,对吧?

所以你看,烧水壶的声音,不是简单的“嗡”一下,而是空气膨胀、微小气泡的形成与破裂、大量蒸汽的涌动以及壶体材质和设计共同作用的结果。下次你再听到烧水壶“咕嘟咕嘟”地响,不妨想想里面这些小小的物理过程,是不是也挺有趣的?

网友意见

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这就是所谓的“开水不响,响水不开”啊。

确实,水在即将沸腾时会发出声音,这时由于水过冷沸腾造成的。

水加热到沸腾大概可以分为三个过程,分别时自然对流、过冷沸腾和饱和沸腾。其中自然对流阶段即水刚开始加热时,几乎没有什么噪声,这一阶段,溶解在水中的气体会被气泡包裹,上升,最后到水面析出。

噪声主要来自于过冷沸腾阶段,大概是水被加热到50℃之上 ,会出现明显噪声。这一阶段,加热盘(或加热丝之类的)表面表面局部活化能达到汽化核心要求,会形成水蒸气气泡,即有小部分水沸腾成为水蒸气,然后被液态水包裹形成气泡。但加热盘周围水温较低,这就是过冷沸腾。

水蒸气气泡只有生长到足够大才能脱离加热盘表面,你不妨观察一下,在水即将沸腾时,是否可以在加热盘(一般是水壶底部)看到小气泡。尽管过冷沸腾气泡脱离直径比饱和沸腾小一些,但过冷沸腾气泡生长缓慢,两个气泡合并后的气泡尺寸也可能达不到离开加热盘的条件,这时小气泡在加热盘表面,底部吸收热量膨胀,顶部接触冷水释放热量收缩,在加热盘表面振荡,这有可能就是噪声的来源。

但水蒸气气泡总会离开加热盘表面的,尤其是随着水温升高,气泡会增多。气泡一旦离开加热盘,进入冷水中,便会被冷水吸收热量,气泡随之破裂,气泡破裂瞬间会振动水体,形成激波,过余能量以声能形式辐射,这就是噪声的来源。

但当水温升高,大概在70℃之后,会逐渐有气泡不会破裂,而是在水体里不断上浮,直到水面,然后再水面破裂,释放大户水蒸气。由于大量气泡再上浮,这时水体会变得浑浊。随着温度升高,越来越多的气泡不会破裂,而是上浮,因此,噪声减小,知道水温达到100℃,水处于饱和沸腾阶段,噪声基本消失。

这种噪声出现在过冷饱和阶段,因此水升温越快越明显。

当然,也有壶嘴经过特殊涉及的壶,在水沸腾后,水蒸气大量通过壶嘴会形成哨音,提醒我们水开了,不过这就跟“烧水声”没啥关系了。

参考文献:

[1]匡波,向宇,郭方中.自然对流欠热沸腾系统声压波动频域分析及工况识别[J].核科学与工程,1998(04):36-43.

[2]盛健,赵志军,豆斌林,王天泽,侯昊,严振瑞,黄晓璜.“响水不开,开水不响”机理实验探索[J].实验室科学,2020,23(01):21-24+29.

[3]毕景良,李雪芳,柯道友,黄彦平.液体过冷度对沸腾换热中汽泡合并及传热的影响[J].工程热物理学报,2015,36(08):1737-1741.

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