由雲、雨、霧的形成談日常生活中的成核現象
< 摘自科學發展月刊377期 2004年5月 26～33頁 >
翻雲覆雨、風起雲湧……。列位看倌，本文不是要談這些成語的含意，而是
想藉著水蒸氣經由成核凝聚形成雲、霧、雨的過程，來談談日常生活中的成
核現象。
作者：陳進成（國立成功大學 化學工程學系 教授）
--------------------------------------------------------------------------
自然界的各種成核現象
天空中的行雲、地面上的走霧、籠罩山中造成「只在此山中，雲深不知處」
的雲（或稱霧）、晴空中噴射機尾巴後的白色凝雲、天空飄下的雨、燃燒產生
的煙，以至於廚房中的鹽、糖、味精和冰箱中冰的結晶，汽水、啤酒的冒泡，
水入油鍋的噴濺，這些皆是大家日常生活中經常體驗到的成核現象。此外，潛
水夫病和近年來頗受矚目的奈米微粒，其形成亦與成核現象息息相關；因此，
可以說成核現象在日常生活中幾乎處處可見！
什麼叫做成核現象？簡單地說，就是剛開始產生相變化的孕育階段。孕育出
胚核後，這胚核便不斷成長形成新的相。以下針對什麼是「相」、「相變化」，
什麼條件下成核現象才會產生，以及上述日常生活中體驗到的現象如何產生，
來逐一加以說明。
相與相變化
所謂「相」是指物質存在的狀態，在同一相中，化學組成與物理性質是均勻
的。以純水為例，它以水的液態、水蒸氣的氣態、及冰的固態三種狀態存在，
分別稱為液相、氣相和固相。在多成分系統中，則可能一相內含多成分，或多
個液相同時存在。以油水系統為例，在室溫中把半杯沙拉油倒入半杯水中，可
以看到油浮在水面上，形成不互溶的油相及水相，兩相成分不同。但如果把酒
精倒入水中，因可互溶，只有一個液相存在，在這個液相中，化學組成是均勻
的。
另外，一個固體中也可能由多個固相所組成。比如一顆石頭中，常可發現含
有很多色澤不太相同的小顆粒，這些小顆粒可能具有不同化學組成與結晶構造，
而分屬不同的固相，或屬同相但被分散在其他相中。至於在什麼條件下，物質
會以哪一相或哪些相共存的狀態存在，則是熱力學的重要探討標的之一。另外，
當溫度、壓力等環境條件改變時，物質可能從原來存在的相轉變成另一相，產
生所謂的「相變化」，而相變化產生的機制及速率，則是「成核理論」的研究
目標。
相變化的種類很多，常見的可分下列幾種：由氣相變為液相，稱為凝結；由
液相變為氣相，若發生在液相內部或液相與容器界面稱沸騰，若發生在氣液界
面則稱為蒸發；由液相變為固相，稱為固化或結晶；由固相變為液相，稱為熔
化；其他尚有多種的相變化，尤其是多成分系統，可能的相變化種類更多。至
於相變化初始的成核現象，則分為下列兩種：均勻相成核──新相的胚核直接
由原來母相中產生，例如多個水蒸氣分子自行聚集形成小水滴胚核；非均勻相
成核──新的相以外加的核或容器表面為胚核而形成。
一般而言，若有外來胚核存在時，非均勻相成核遠比均勻相成核容易發生。
以水為例，在沒有任何外來胚核存在下，要讓直徑一公分的水珠冷卻至攝氏零
下 40 度才能形成冰珠，這溫度遠低於一般水在攝氏零度可以結成冰的認知；
然而在一般情況下，容器表面或水中微粒可充當胚核，讓水在約攝氏零下 1
度即可結冰。
熱力學與成核理論
熱力學是研究各種形式能量間轉換的科學，而能量的轉換遵守了一些限制，
也就是熱力學第一定律及第二定律：第一定律是能量守恆定律，各種形式的能
量（如功、熱、動能等）不管它們之間如何轉換，其總和不變；第二定律則指
出，沒有一個設備可以把吸收的熱完全轉換為功，也沒有任何一種程序可以單
獨把熱由低溫傳到高溫。
由這兩個定律可進一步推導出各種熱力學性質（如熵、焓、自由能等）間的
關係式，以及在描述相平衡時很重要的一個判斷標準：在某一溫度、壓力下，
當一個獨立系統達到平衡狀態時，相對於所有可能的狀態，其總自由能（Gibbs
free energy）恆維持在最低值，此一標準是判斷平衡狀態的通則。
在定性上亦常以「趨向最低能量、最大亂度」來敘述一個系統變化的趨向。
對於一個系統，其中的物質原本以某一相存在且處於平衡狀態，當溫度、壓力
改變時，在新的條件下原本的平衡狀態不再是處於最低自由能的狀態，反而是
以另一相的狀態存在時其自由能最低，則此系統就可能產生相變化。然而相變
化是否必然產生呢？實則並不盡然，因為形成新相胚核過程中，隨著胚核的成
長，自由能會先增加達到某一最大值後再下降。
以下以水蒸氣的凝結為例來說明相的變化。當一個密閉容器內裝有半滿的水
時，在攝氏 100 度下，水蒸氣可達一大氣壓並與攝氏 100 度的水達到相平衡，
兩相自由能相同；在定溫定壓下，水蒸氣凝結成水，蒸氣分子凝結在水面上，
形成的新界面與消失掉的原有界面一樣，表面積沒有增加，其自由能不變。
但若讓這一大氣壓的水蒸氣分子，自行聚集形成小水滴，則這些水蒸氣分子
凝集後的自由能比凝集前高，因此，這樣的凝結不會自然發生。這是因為隨著
小液滴的產生，形成了小液滴的表面積，因表面積的增加而增加了表面能，這
使得小液滴的自由能比凝結前蒸氣狀態的自由能高。
若水蒸氣維持在一大氣壓下冷卻至攝氏 90 度，這時的水蒸氣會形成過飽和，
因為水在攝氏 90 度的平衡蒸汽壓是 0.71 大氣壓。我們對過飽和度的定義是，
實際的蒸氣壓與平衡蒸氣壓的比值。
當過飽和度大於 1 時，水蒸氣的自由能大於同溫度的水，在這過飽和的情
形下，水蒸氣分子就會凝結成小水滴，其自由能變化可分成兩部分，第一部分
是因增加液氣表面積而產生的自由能變化，第二部分是水蒸氣分子變成液態水
分子的自由能變化。第一項是正值與液滴表面積成正比，而第二項是負值，其
值與液滴體積成正比，兩項相加就產生了一條猶如山峰狀的曲線。
過飽和度越大，曲線的山峰（峰值）就越低，相變化就越可能發生。若過飽
和水蒸氣以器壁或微粒為胚核，凝結成小液滴時，由於這些表面的存在，使形
成小液滴所需的表面能減少，自由能峰值下降，相變化較易產生。自由能峰值
可視為相變化過程所需克服的能障。另一方面以微觀的分子運動觀點來看水蒸
氣形成胚核的消長情形，亦可以了解成核現象為何需要過飽和。
對一個位於平的液面上的水分子，液面下與它相互作用的分子數目，大於小
液滴表面上的一個水分子與液滴內相互作用的分子數，因此位於平的液面的水
分子所受吸引力較大，其逸出液相的機會相對小於位於小液滴表面上的水分子。
在平衡時，水分子離開液相的速率等於進入液相的速率，逸出速率大的需要大
的蒸氣壓方可達到平衡，因此小液滴的平衡蒸氣壓比水平面上的平衡蒸氣壓大。
隨著液滴粒徑的增加，其蒸氣壓漸趨於水平面上的蒸氣壓。
因此當水蒸氣分子凝結成小液滴胚核時，若沒有足夠的過飽和度，其形成的
小液滴再蒸發的機會遠大於長成大液滴的機會，亦即成核機率很低。成核速率
隨過飽和度增大而快速增加，過飽和度增加數個百分點，成核速率可能增加幾
百倍，甚至上萬倍。
< 待續 >
--
╔═══╗ ┼────────────────────────╮
║狂狷 ║ │＊ Origin：[ 狂 狷 年 少 ] whshs.cs.nccu.edu.tw ╰─╮
║ 年少║ ┼╮ < IP：140.119.164.16 > ╰─╮
╚╦═╦╝ ╰ ＊ From：140.127.179.230
─╨─╨─ ＫＧＢＢＳ ─ ◎ 遨翔"BBS"的狂狷不馴；屬於年少的輕狂色彩 ◎