雲、霧、雨的形成
自然界中雲、霧、雨等的形成都是因為水蒸氣達到過飽和後，以空氣中的微
粒為凝結核產生非均勻核凝的結果，其差異在於形成的位置及液滴大小。
以臺灣夏天常見的午後起霧或雷陣雨為例，當高溫潮濕的空氣由海面吹向山
區時，氣流隨著山勢升高，氣壓亦隨高度增加而下降，產生了絕熱膨脹效應，
造成氣流溫度下降。雖然氣流中的水蒸氣壓會隨著膨脹而降低，但是溫度下降，
使得平衡蒸氣壓也跟著下降，更由於平衡蒸氣壓對溫度變化極為敏感，以致於
平衡蒸氣壓比水蒸氣壓下降得快，使得過飽和度隨著高度上升逐漸增大，當達
到一定高度時，水蒸氣達到適當過飽和度（約 1.01），空氣中的水蒸氣就以
氣流中的微粒為凝結核形成小液滴，產生了霧或雲。
隨著高度的繼續增加，可凝結的水蒸氣量越多，產生更濃的雲或霧，同時藉
由液滴合併，或透過小液滴蒸氣壓大，易蒸發而凝結於蒸氣壓較小的大液滴上，
形成大吃小的現象，液滴粒徑逐漸變大而產生了雨。其他自然界能夠產生過飽
和水蒸氣的方式，尚有冷卻及不同溫度氣流的混合。
例如熱湯上的白汽、高空噴射機尾巴的白色凝結雲、以及冬天汽車排氣管口
排出的白煙等，都是因為含水量高的高溫氣流與冷空氣接觸、混合而降溫，產
生過飽和蒸氣凝結在微粒上所造成。在混合過程中，混合後的蒸氣壓雖然會比
高溫氣流中的蒸氣壓低，但混合後溫度下降，平衡蒸氣壓隨溫度變化下降得更
多，在適當溫差並在一定的混合程度下，可以形成過飽和蒸氣產生白煙。一旦
超出了此混合程度，則無法產生過飽和，亦會使已產生的白煙又蒸發消失。
至於均勻相成核所需的過飽和度較非均勻相成核高很多，對水而言，在室溫
下所需過飽和度大於 3。因此在均勻相核凝發生前，非均勻相核凝早已發生了，
過飽和蒸氣隨著凝結而減少，使過飽合度下降，亦使得均勻相核凝的產生更為
不易，因此一般水蒸氣的凝結皆以非均勻相成核為主。
汽泡的形成
當涼涼的水倒入茶杯內，靜置一段時間後，常可看到器壁上附著了很多小汽
泡。這些汽泡的形成是因為空氣在水中的溶解度隨溫度上升而下降，使原溶於
涼水中的空氣在水溫升到室溫後，產生過飽和而在器壁上產生非均勻相成核所
致。
溶於水中的氣體分子，可以自行聚結成小汽泡胚核，當可以克服氣液界面的
表面張力所產生的壓力及大氣壓力時，便逐漸成長。這個小汽泡就像一個小氣
球，氣球越小裡面壓力越大。外面若是一大氣壓，則裡面必須大於一大氣壓，
否則氣體分子又會被壓縮溶解於水中。因此溶於水中的氣體平衡蒸氣壓要遠大
於液面上的氣壓（也就是過飽和度很大），才能產生汽泡。
除了溫度外，亦可藉由液面壓力的改變，使溶於水中的氣體分子形成過飽和
而產生汽泡。最典型的例子就是在打開汽水（啤酒）瓶蓋前，瓶內氣壓高，並
無汽泡產生，當打開瓶蓋後，液面壓力下降，使溶於汽水中的二氧化碳平衡蒸
氣壓遠高於液面氣壓，因此汽水中的二氧化碳分子有機會克服小汽泡表面張力
而形成汽泡。另外潛水夫病亦是因壓力下降，使溶於血中的氣體因形成汽泡而
產生的生理症狀。
沸騰與突沸
在一大氣壓下，當溫度達攝氏 100 度時水就沸騰，是一般所熟悉的說法。
然而若沒有半徑足夠大的汽泡胚核存在，水達攝氏 100 度時仍不會沸騰。因
為在溫度攝氏 100 度時，水的平衡蒸氣壓是 1 大氣壓，當在水中出現一個水
蒸氣小汽泡，這個小汽泡受到水與水蒸氣之間的表面張力所產生的壓力加上外
界大氣壓力，若大於攝氏 100 度水的平衡蒸氣壓，此一汽泡就會被壓縮回液
體水中而消失。因此要使一個水蒸汽泡不消失，必須要把溫度提高，使得平衡
蒸氣壓高到足以抵抗因表面張力而產生的壓力及外界氣壓。
當水泡半徑越小時，形成汽泡所需要的溫度就越高，在這個過熱的水中才能
使這個汽泡成長。因此要使過熱的水在無汽泡胚核存在下，藉由分子運動產生
的自然擾動在水中形成汽泡，發生所謂的均勻相成核，所需的溫度高達約攝氏
300 度，此時一旦有汽泡產生，過熱的水便可快速汽化，形成突沸現象。突沸
會造成高溫熱水的噴濺，不但沸騰不穩定且易造成危險，需要特別注意。
在日常生活中不易遇到真正的均勻相成核，因為一般容器表面都不是絕對光
滑，或多或少有大大小小的凹洞或溝槽，當水倒進容器時，這些凹洞或溝槽常
含有極小的空氣泡，它們就成為汽泡發展過程中的胚核，即所謂非均勻相成核
的胚核。此外，若沒有這些胚核存在時，在兩相界面上形成胚核亦較在水相內
部產生容易，只有在接觸角小到某一程度（約 68 度），或兩相界面所能提供
產生胚核面積有限的條件下，才會使胚核在水中產生的機會大於在界面產生的
機會。
非均勻相成核所需的過熱溫度較低且沸騰較不激烈，但有時其激烈程度亦不
可輕忽。例如以乾淨的冷玻璃杯裝水放在微波爐快速加熱時，有可能在水內部
產生過熱而發生激烈突沸導致燙傷的危險。另外在廚房鍋中熱油，有水滴滴入
時，常因水滴被加熱到超過攝氏 200 度，以致產生突沸而使熱油噴濺四散，
造成燙傷。
最危險的莫過於汽、柴油儲存槽區的火災，當火災的高溫使得儲油槽溫度增
高，一旦槽內油料被加熱至過熱溫度，即會產生突沸而發生爆炸，藉著爆炸將
更多油氣與空氣大量混合，產生下一波更大更激烈的爆炸。了解這些過熱產生
的突沸機制，有助於擬定各種必要的預防措施和操作程序，以避免危險事故的
發生。
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2004_48/9305-04-02.JPG
美麗的雪花。
鹽、糖與味精的結晶
過去在臺南縣北門、七股地區，把海水引入鹽田，在陽光照射加熱下，流經
連串的池子逐漸濃縮，最後進入結晶池，這時海水已達飽和。當水分繼續蒸發
時，形成過飽和並開始結晶，析出粗鹽。粗鹽可進一步加工，生產粒徑較小的
精鹽。
至於蔗糖，則是蔗汁經加熱蒸發濃縮形成粗糖後，經進一步的純化與結晶成
為白砂糖。鹽、糖及味精等的製造，都是利用使溶液形成過飽和後，讓溶質結
晶的相變化。藉著控制成核與成長速率，可以產製不同大小粒徑分布的產品。
燃燒的煙
煙火上的黑煙、柴油車排出的黑煙、火箭升空巨焰後的煙，以及很多燃燒時
產生的煙，基本上都是因燃燒過程中，形成了各種不易揮發汽化的物質（如碳
黑等），聚結成核而形成的微粒，因成分及顆粒大小的不同而呈現不同顏色。
隨著燃燒的條件及冷卻與混合速率的不同，成核速率及成長速率甚至微粒成分、
粒徑分布及密度亦隨之改變。
這種經由氣相反應產生不易揮發的物質，形成過飽和進而成核及成長產生微
粒的機制，亦廣泛應用在工業上生產各種粉末，如汽車輪胎填加用的碳黑、油
漆的色料等。
成核現象與相變化廣泛發生在自然界中，了解它的原理，可讓我們了解很多
自然現象如雲、雨、霧等的產生機制，亦可應用在工業上以生產或控制產品特
性。另外在生理上如痛風患者尿酸結晶的產生、潛水夫病汽泡的產生，可經由
了解這種成核現象來建立適當的控制方式，同時可建立預防措施以避免相變化（
如激烈的突沸）造成的危險。此一原理亦已應用在最近廣受注意的奈米材料製
造上。
----------------------------------------------------------- 完 -----------
資料來源： 《科學發展》2004年 5月，377期，26～33頁
http://nr.stic.gov.tw/ejournal/Nscm/9305/9305-04.pdf
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