图文|自来水博士
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生活中难免会与水垢打交道。烧开水的时候，水壶底部积累水垢；家里的热水器时间久了，加热部件结垢严重。
细心的网友可能会发现，这些水垢多是出现在水壶底部、热水器加热棒上（注意：现在的电水壶加热部件都是铺在水壶底部），内胆内壁有水垢，但是却少了很多。这是为什么呢？
现在开水瓶加热棒越来越少见了，小编在上大学的时候，几乎每个寝室都会有几个开水瓶加热棒，因为非常方便。但是开水瓶加热棒非常危险，经常出现着火事件，所以大学寝室管得很严格。
随着水壶和热水器的使用时间增加，水加热的时间会越来越长，这是水垢的一个危害：耗电增加。水垢覆盖在加热棒表面，隔断了加热部件和水的接触，从而降低了热传导的速度。
这是因为水垢由碳酸钙、硫酸镁等组成，它们的导热性能比加热金属部件差很多。铜和铁的导热率分别为385和79.5W/m K，但水垢的导热率只有0.5-3 W/m K，相差几十到数百倍。所以加热棒或水壶底部附着了大量水垢，会极大地影响加热效率。
一旦加热部件被水垢覆盖，传热性能退化，加热时热量被水垢阻挡，难以传导给水，导致加热部件局部温度急剧升高，影响安全运行。
尤其是在北方，水硬度较大，水垢量非常大，需要及时对水壶和热水器进行清洗。
水垢主要由碳酸钙、硅酸钙、硫酸钙、氢氧化镁等沉淀组成。我们的饮用水中，不可避免地存在钙离子和镁离子等矿物质。水壶和热水器加热部件结垢就是因为钙镁离子就会以结晶沉淀析出，包裹在加热部件表面。
在烧开水时，我们会发现水壶底部或者是加热棒上，不断有气泡产生，这是因为热源温度高，沸腾是由热源附近开始的。
刚开始烧水的气泡是由于水中溶解有一定的空气，水的温度上升，空气在水中的溶解度下降，所以从水中逃逸出来。随后的不断加热，水吸收足够的热量，能够从液体变成气体，形成水蒸气气泡。所以，烧开水时产生的气泡多是由空气和水蒸气的混合物组成。
在加热部件上产生的气泡处在一个液、气、固三相结合的界面，也就是水、气泡、加热棒。在气泡蒸发从这三相界面逃逸时，就会导致其周围水中的钙盐和镁盐过度饱和，从而以沉淀的形式析出并保留在加热棒表面。
研究发现，积累有水垢的加热棒比新的加热棒能够产生更多的气泡，这是因为有水垢的加热棒的表面有更多的气孔且更亲水，这就为气泡的形成提供了足够数量的活性位点。也就是说加热棒使用越久产生水垢的速度越快。
所以水壶和热水器有水垢产生后，需要定期清洗，不然产生水垢的速度更快。
有网友会有疑问，烧开水时，水中也会出现水垢，并不只是水壶底部才有。
产生水垢的罪魁祸首是水中钙离子和镁离子，表现为钙盐和镁盐的析出。这些钙盐和镁盐多数可以附着在加热棒上；而以白色悬浮物的形式出现在水中的则多是碳酸钙和氢氧化镁，非常影响开水的美观。
由于加热棒在开始加热时就产生了局部高温，为气泡的形成提供了良好的成核位点，所以加热棒上在加热开始后就会不停地积累水垢。而壶里水中，只有在水温升高到一定程度，水中碳酸钙和氢氧化镁的溶解度降低，才会有水垢沉淀析出。
用传统结晶理论的解释就是，结垢是一个钙盐镁盐结晶析出的过程，且非均相结晶析出比均相结晶在能量上来说更有利。直白地说就是，加热棒和水垢非均相，在加热棒上析出属于非均相结晶，结垢所需要的能量低，这可以归因于在两者界面接触时，表面能降低了。
但是在开水中，就只有水垢分子和水垢分子的相互结合才能形成更大的晶体从而析出，属于均相结晶，结垢所需要的能量高。由于烧开水时，水温升高太快，给均相结晶提供了能量。尽管非均相结晶所需的能量低，均相结晶所需的能量高，烧开水快速加热，能量不是一个大问题，所以不仅加热棒上，而且开水中都会出现大量水垢。
另外，水壶和热水器的内壁会积累水垢，但会比加热部件上少很多，这些水垢多是由于内壁也可以作为非均相结晶的成核位点。不过内壁不能加热产生气泡，所以积累的水垢会比加热棒上相对少很多。
参考资料
1. Fukada et al. The Effect of Fouling on Nucleate Pool Boiling of Small Wires. Heat Transfer—Asian Research. 2004, 33.
2. Cheong et al. Substrate effect on surface adhesion/crystallisation of calcium carbonate. Journal of Crystal Growth. 2013, 363, 7–21.
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