省流版：根據(jù)高中物理學(xué)到的克勞修斯-克拉伯龍方程，可以求得當(dāng)水的沸點(diǎn)超過105攝氏度時(shí)，環(huán)境壓強(qiáng)需要達(dá)到121千帕（約等于1.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。因此只需要一個(gè)普通高壓鍋（內(nèi)部氣壓可以達(dá)到2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）燒開水就可以輕松達(dá)成“105度的蒸餾水”成就！還有更簡單（但比較危險(xiǎn)）的方法，參見正文——

蒸餾水通常情況下指代的是不含任何雜質(zhì)（礦物質(zhì)、其他液體、空氣泡）、完全由水分子組成的純凈水。我們都知道水的沸點(diǎn)是100攝氏度，冰點(diǎn)是0攝氏度。但實(shí)際上，對(duì)于一滴清純的蒸餾水，0度和100度并非絕對(duì)的界限：零下的“過冷水”在自然界廣泛存在，100度以上的“過熱水”也很不難獲??！

地球有大氣層，我們都生活在大氣層的底部。大氣層自然也是受到地球重力約束的——實(shí)際上，地球上的每個(gè)人頭頂都頂著一千多公里高的大氣柱子！這個(gè)大氣柱子在頭頂產(chǎn)生的壓力除以面積，就是“大氣壓”。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水才有0攝氏度的冰點(diǎn)和100攝氏度的沸點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)發(fā)生變化，兩種變化發(fā)生的溫度也會(huì)隨之調(diào)整。按照高中物理知識(shí)，水的沸點(diǎn)溫度與大氣壓強(qiáng)的關(guān)系可以用克勞修斯-克拉伯龍方程來描述：

對(duì)于溫度T₁=105攝氏度，可以算出需要的壓強(qiáng)P₁=120517帕斯卡，即120.517千帕，約等于1.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。所以在1.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)就會(huì)來到105攝氏度！

水在固-液-氣之間轉(zhuǎn)化的過程也叫“相變”，由環(huán)境壓強(qiáng)和溫度決定，我們可以通過“三相圖”來查找特定氣壓和溫度下水的狀態(tài)。當(dāng)溫度超過374攝氏度并且氣壓超過22064千帕（約218個(gè)大氣壓）時(shí)，也就是臨界點(diǎn)，水會(huì)變成“超臨界流體”，難以區(qū)分氣態(tài)或者液態(tài)。而在溫度為0.01攝氏度并且氣壓只有611帕斯卡（千分之六個(gè)大氣壓）時(shí)，水可以在固、液、氣三種狀態(tài)之間自由轉(zhuǎn)化，這個(gè)點(diǎn)也被稱為三相點(diǎn)?？藙谛匏?克拉伯龍方程描述的就是從三相點(diǎn)到臨界點(diǎn)中間的這一段邊界線（下圖藍(lán)線）。

當(dāng)溫度突破100攝氏度，純凈水如果本身不含任何氣泡，那么它不會(huì)立即沸騰，比如在微波爐中長時(shí)間加熱一杯靜置的純凈水。這種“過熱水”狀態(tài)可以持續(xù)到將近120攝氏度。此時(shí)取出這杯水，只要有任何干擾破壞了水滴的表面，引入水泡，液態(tài)水內(nèi)部分子之間的氫鍵就容易快速斷裂，我們就會(huì)看到一整杯水在短時(shí)間內(nèi)迅速沸騰，短時(shí)間會(huì)產(chǎn)生大量超過100攝氏度的高溫水汽，極其容易燙傷，沒有安全措施的小伙伴請(qǐng)勿嘗試！

為什么？首先，微波爐熱水時(shí)水的整體受熱較為均勻，難以出現(xiàn)內(nèi)部的對(duì)流，因此在加熱過程中很難出現(xiàn)氣泡。而水的沸騰必須要有氣泡作為“核”。水從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)或者液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的相變過程中，能量方面其實(shí)與各類化學(xué)反應(yīng)一樣，需要跨越一個(gè)“門檻”，稱為“激發(fā)能”。如果沒有外力干擾破壞這個(gè)“門檻”，水就會(huì)一直保持液態(tài)。

汽水的氣泡也是如此產(chǎn)生的。汽水里的氣泡本質(zhì)上是溶解在水中的二氧化碳?xì)怏w。由于二氧化碳的沸點(diǎn)非常低（-78攝氏度），室溫經(jīng)過高壓靜置后基本沒有氣泡的汽水，只要稍有晃動(dòng)就會(huì)迅速產(chǎn)生大量氣泡。如果加入“曼妥思”糖，糖果表面自帶的大量孔隙是極其良好的核化初始點(diǎn)位，會(huì)迅速產(chǎn)生巨量氣泡。

類似地，當(dāng)溫度下降到0攝氏度以下時(shí)，通常情況下我們會(huì)看到水開始結(jié)冰的現(xiàn)象。但也有例外：大氣層中的云能保持到零下40度都不結(jié)冰！

一個(gè)簡單的過冷水實(shí)驗(yàn)：將一瓶未開封的純凈水放進(jìn)冰箱冷凍室（或者寒冬夜晚的車?yán)铮┏浞掷鋬鲆欢螘r(shí)間，然后不管是打開瓶蓋，還是用物體敲擊瓶身，都可以發(fā)現(xiàn)一整瓶水快速凍結(jié)為冰的神奇現(xiàn)象。

為什么呢？這是因?yàn)樗Y(jié)冰需要有“核”作為起始點(diǎn)，這種“核”可以是微小的難溶固體顆粒，比如沙子、花粉、細(xì)菌，也可以是粗糙的固體表面，比如鐵欄桿、有污漬的玻璃等。在這樣的界面上，液態(tài)水中沒有規(guī)則的水分子更容易排布出冰的晶體結(jié)構(gòu)，可以迅速“成核”凍結(jié)，即使這個(gè)物體本身溫度并不在零下。冬季戶外一些物體表面容易結(jié)冰、結(jié)霜，還有美麗的霧凇現(xiàn)象，往往是懸浮在空氣中的水在某個(gè)界面上凍結(jié)而成。

雪和冰雹的形成，也是由于空氣中存在的氣溶膠顆粒為過冷水提供了“凝結(jié)核”。這樣的凝結(jié)/凍結(jié)過程稱為“異質(zhì)成核”過程，因?yàn)樗蔚哪逃衅渌镔|(zhì)參與。如果要讓水滴僅依靠自身凍結(jié)（均質(zhì)成核），需要溫度降低至-38攝氏度以下！

值得一提的是，水中如果存在可溶性物質(zhì)如食鹽、糖等，水的凝固點(diǎn)就會(huì)下降，而沸點(diǎn)上升。

水凝固成冰時(shí)，散亂的水分子需要依靠穩(wěn)定的氫鍵變成更為規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，而外來的離子和分子很容易破壞這些氫鍵，導(dǎo)致水分子很難湊出規(guī)則的冰晶結(jié)構(gòu)，因此凝固點(diǎn)降低。

水沸騰時(shí)，需要使得水的飽和蒸氣壓超過大氣壓，而鹽離子或者糖分子這些“雜質(zhì)”則會(huì)降低水的飽和蒸氣壓——簡單來說，因?yàn)樵谒嫔?，“雜質(zhì)”會(huì)取代一部分水分子，從而抑制水的沸騰。這個(gè)現(xiàn)象被法國科學(xué)家拉烏爾總結(jié)為拉烏爾定律：在一種溶液中分子數(shù)量占比百分之x的液體成分，蒸氣壓是其純液體的百分之x，如下圖所示。

鹽水、糖水在100攝氏度也不會(huì)沸騰，需要提高溫度或者降低外界氣壓。當(dāng)然，這樣一來水也不“清純”了！

1. Salzman, William R. Clapeyron and Clausius–Clapeyron Equations. Chemical Thermodynamics. University of Arizona.

2. H. R. Pruppacher and J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Kluwer (1997).

3. https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleation

4. Meranda, D., & Furter, W. F. (1977). Elevation of the boiling point of water by salts at saturation: data and correlation. Journal of Chemical and Engineering Data, 22(3), 315-317.