1 现象

一杯水放在桌子上，过几个小时， 水变为半杯了， 这就是蒸发。 湿毛巾变干， 也是蒸发。 

在锅里烧水， 到100度， 水开始翻腾， 过几分钟， 水也减少了， 这是沸腾。 这当然是古人

都知道的现象。 蒸发和沸腾是水的两种汽化形式， 为什么一个快一个慢， 一个剧烈，

 一个平静呢？ 一个比较普遍的解释是说， 蒸发仅发生在水的表面， 沸腾是液体内部全面发生

的汽化过程。本文将仔细探究蒸发和沸腾的过程， 这涉及到相平衡， 平衡相变，  大气压等

基本概念。  

2 相平衡条件， 平衡相变， 不平衡相变， 水的沸腾

水有固态液态气态三个状态，我们不讨论结冰的情况， 只说水的液态和气态。 

在室温（20°）下， 将一个原本是真空的瓶子里装一些水， 过一段时间，一部分液态水变为气态水（汽），

因为比重不同， 二者有明显的分界面， 液态的水可以汽化， 汽可以凝结，二者动态平衡， 称为

液相和气相的两相平衡。 这时瓶内的压力为0.02个大气压， 这被称为水在20°时的饱和蒸汽压。 

将瓶子温度缓慢增加， 更多的水转化为气体， 饱和蒸汽压逐渐升高， 到100°时， 蒸汽压为1大气压， 

温度再升高， 蒸汽压可以继续升高。规律是蒸汽压随着温度升高而升高， 或者说， 沸点随着压力增大而升高。 

让我们回到室温（20°）下装有水的瓶子，这时的蒸汽压为0.02个大气压， 在维持温度和压力

不变下， 缓慢增大瓶子的体积（类似于带有活塞的气缸）， 这时候液态的的水可以缓慢地从环境吸热， 

全部变为汽， 也可以反过来，在压力和温度不变地条件下， 缓慢减小瓶子的体积，汽也可以

释放热量缓慢变为水。这时的相变称为平衡相变。 

平衡相变时有化学势平衡条件， 

μ₁ = μ₂

U₁+PV₁-TS₁=  U₂+PV₂-TS₂

T（S₂-S₁）=  （U₂ - U₁）+ P（V₂-V₁）

其中1是水， 2是汽， 化学势平衡条件在说， 水吸热变为汽， 吸收的热量正好等于体积膨胀需要

做的功，以及内能的增加。好像一个人打工挣钱， 挣的钱正好交房租买食物， 其他啥事都干

不了。 当水发生平衡相变变为汽， 这个变化是在什么位置发生的？ 因为过程非常缓慢， 是看不见的。 

让我们再回到室温（20°）下装有水的瓶子，这时的蒸汽压为0.02个大气压， 设想瓶子的体积膨胀

较快， 气压减小为0.1大气压， 这样水就可以快速汽化，是非平衡相变， 相变发生在水的内部和表面， 

这就是沸腾。 由于汽化需要吸热， 水的温度下降， 蒸汽压也有升高， 沸腾停止，重新恢复相平衡，

 比如说是10°， 蒸汽压升为 0.012大气压 。 

如果用锅烧水， 水温连续升高， 到了100°了， 这时候突然熄火， 停止加热， 水只能蒸发， 不能

沸腾， 如果不熄火， 继续加热， 水温不再升高， 水开始沸腾直到水被耗光。 汽化不是发生在水的

内部， 而是发生在锅底， 锅底的温度远高于100°。 气泡上升， 液体水下降， 形成翻腾， 就是沸腾， 

给人的感觉好像水内部处处都在汽化。

烧水时水的内部能不能汽化呢？ 本来不能，但有微波炉以后， 又能了。 微波炉烧水时， 微波把能量

投送到水的各个地方，这时水的内部和表面可以同时汽化。 

水的翻腾， 表明相变为非平衡相变， 化学势不等，水汽化时吸收的热量， 除了用于膨胀做

功， 转化为内能增加外，还有盈余， 成为水翻腾的动能， 蒸汽离开时的动能。这相当于一个人打工回来，

交完房租买了食物， 剩的钱可以用于报名参加体育活动。 

我们说水沸腾时温度100°不再上升， 这是指温度计测温部分悬在水的中间测得的温度， 但是如果水能沸腾

（翻腾）， 我们可以推断和锅底接触的水的温度一定会略大于100°， 比如101°， 就是略有过热。 

一句话， 水所以剧烈翻腾， 是由于热源的温度远大于100°， 水被烫得不能平静的汽化， 好像热锅上的蚂蚁。  

3 一杯水放在桌子上， 蒸发时为什么那么平静呢？ 

如果刚接一杯水， 放桌子上， 这时候水被大气压压住， 不能翻腾， 内部不能汽化 ， 和空气的接触面上， 

水蒸气可以快速进入空气， 所以蒸发发生在表面没有错。 因为没有气体和液体位置互换， 没有翻腾， 所以

看不见任何动静。 

过了一会儿， 水和空气分界面上有接近饱和的水蒸气，水蒸气继续向远处扩散，蒸发的过程吸热， 水温

略有下降， 水从环境（20°）缓慢吸热， 整个过程平静进行， 直到把水耗尽，这时水的挥发过程是

平衡相变。

我们说这么个问题， 20°时水的饱和蒸汽压为0.2大气压， 这是指水被密封在没有空气的瓶子里，如果一

杯水放在桌子上， 杯口用一张纸片轻轻盖着， 请问杯子里水蒸气的饱和蒸汽压是否还是0.2大气压？ 

简单来说， 直接认为空气没有影响，饱和蒸汽压还是0.2大气压。精确一点分析， 大气压作用于（液体）水，

 相当于挤了这个水， 化学势升高，更容易变成汽， 大气压没有作用在水蒸气上， 水蒸气和空气混合时， 

熵增大， 水蒸气的化学势下降， 就是说， 空气的存在，使得液态水的存在更加困难， 让汽的存在更容易。 

 有助于水的汽化， 所以一大气压下， 水的饱和蒸汽压略有升高， 但升高的数值完全可以忽略。