我们都很熟悉沸腾的开水。它可以从煤气炉上的饭锅烧出来，也可以从专用的电热水壶中产生。无论是在普通家庭的厨房，还是在发电厂的核反应堆，不需要花费很长时间，也不需要进行复杂操作，一锅锅生水很容易就会滚成沸水。然而，你真的知道怎么烧好一锅水吗？
无需加热水也能沸
也许你会说，谁不会烧开水呢？先别急着回答。我所说的烧开水，并非指家里用来喝的开水，而是在发电厂里进行的烧开水操作。怎样在发电厂里烧好水，这是一个连科学家都尚未能解决的问题。
在发电厂里烧开水和在家里烧开水不一样。发电厂一次要烧开数吨水，把这么多的冷水加热到沸腾得花费 10 多个小时。烧水这个过程不但需要消耗大量能源，而且能源的利用效率还不高，例如用煤炭烧水的话，大约有 65%的能量会白白地被消耗掉。怎样用更少的能量让更多的水沸腾，提高能量转换效率，让许多科学家非常费心。
好在，发电厂烧开水的目的与家庭烧水的目的不同。家庭烧水是为了利用高温杀死水中的病原体，去除水中可能存在的有毒、有害物质，且加热这一过程是必不可少的。而在发电厂，烧开水是为了把液态水转变为水蒸气，水蒸气能推动涡轮机发电，水蒸气越多且产生得越快，发电效率就越高。这样，问题转化为如何让水更快地沸腾，这方面可以做很多事情。
液体的沸腾其实就是液体的汽化现象。这种现象会受到多种因素的影响，其中除了温度之外，液体所处环境的压力也会对其产生作用。液体的沸点不是固定不变的。在一个标准大气压下，水的沸点为 100℃。当环境气压小于标准大气压时，水的沸点会下降。在海拔 8848 米的珠穆朗玛峰顶部，只需加热到 71℃，水就会沸腾。如果将锅炉搬得更高，比如宇航员在太空行走时带上一锅水并打开盖子，水会瞬间沸腾。如果不考虑温度下降致使发电效率降低这一因素，那么把发电厂建得越高，发电所消耗的能源就会越少。在足够高的地方，水甚至不需要加热就能够沸腾。
当然，将发电厂建到太空是不容易的，而建到高原山地上也并非易事。好在我们可以尝试其他降压方法，例如人造真空。在物理课上，老师或许展示过这样的实验：把常温的水装入一个容器中，接着开始抽取容器里的空气。随着空气的逐渐减少，容器里的水慢慢地沸腾了起来。另一个实验有着相似的效果：先把水煮沸，接着停止加热。当沸水因降温而停止沸腾后，往容器的外壁倒上少许冷水或者碎冰，此时容器里的水又会再次开始沸腾。
这些水不需要加热到沸点就能沸腾，这与低压有关。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，大气压也会下降。因为水的沸点会随着大气压的下降而下降，当下降到一定程度，水温达到沸点，水就开始沸腾了。在发电厂里，冷水具有多种作用。其一，它可以给管道降温，从而延长管道的寿命；其二，它能够通过降温来减小管道内的气压，进而提高水的沸腾效率，这是一种较为隐蔽的效果。
电荷种子凝聚泡泡
降压可以降低水的沸点，从而提高沸腾效率。然而，这种方法只是暂时解决问题，并非从根本上解决。那么，是否有办法能够让蒸汽或者气泡直接增多呢？
让我们先来了解水沸腾时冒泡的原因。水沸腾时产生的气泡，其中一部分是水蒸气，还有一些是溶解在水中的气体，像 O2、CO2、NH3 和 SO2 等。水分子之间以及水分子与气体分子之间存在着一些相互吸引的作用力，这些作用力被我们称作氢键和范德华键。不同原子对电子的吸引力有差异，所以不同原子的正负性不同。在水分子中，氢原子呈现正电，氧原子呈现负电。不同水分子的氢氧原子会相互吸引，它们结合在一起的这种作用力被称作氢键。而由相同原子组成的分子，例如 O2 分子，它是不带电的，是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，温度会升高。温度升高后，气体分子和水分子会获得更多的动能。这些能量能让所有分子更容易突破水分子的束缚。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变成气态，即汽化。
从这个角度来看，如果存在某种东西，能让液态水中的各种分子更易于摆脱分子间的作用力，那么液态水就能产生更多的蒸汽和气泡。雨滴的形成需要一个“种子”，众多小液滴汇聚到尘粒“种子”上才会最终变成大水滴。倘若在液态水中加入一个“种子”核心，以此取代水分子对其他分子的束缚力，它们不就能够汇聚成大气泡了吗？
研究人员发现，无需提供更多能源，只需切换电荷，就能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。发电厂烧开水的初衷是获取更多蒸汽（或气泡），然而，过多的气泡给烧开水带来了不良影响。密密麻麻的气泡布满了锅炉底部，这层“气泡膜”对锅中剩余的液态水起到了保护作用，致使它们难以迅速沸腾，从而进一步增加了能源的损耗。
你有炒菜经验的话会发现，热锅中倒入一勺水，水要很长时间才能完全蒸发掉，最后剩下的水滴会在热锅中“跳舞”。这是因为热锅把水滴表面的水迅速加热成了水蒸气，水蒸气阻隔了热量继续向水滴内部扩散，所以水滴难以蒸发。发电厂锅炉底部的“气泡膜”也会有类似的效果。
如何解决气泡过多导致烧水效率下降的问题呢？最近，美国麻省理工学院的物理学家想出了一个办法，那就是制造新型“加热棒”。“加热棒”的主体由一系列微米级的空腔管构成。一支支 10 微米宽的空腔管，以 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，使得气泡能够附着在其表面和内壁上，从而无法形成成片的“气泡膜”，这样就减少了对热量的阻碍，促进了气泡的蒸发。
新型“加热棒”成功解决了令人头疼的双重矛盾。它一方面能够使液体更快地沸腾，产生更多的气泡；另一方面又避免了气泡成膜，从而不会影响后续的传热过程。这使得沸腾过程的效率得到了极大的提高。
提高烧开水的效率这件事，看似微小，实则意义重大。到如今，我们所使用的电能，都是由其他形式的能源通过烧开水推动涡轮机而转化来的。要是能够提升烧开水的效率，那么我们获得的电能就会成倍地增加，这是极为诱人的前景。
