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水被压缩后的后果

发表时间:2022/08/30 08:37:39  来源:雪碧的科学观  浏览次数:1642  
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水可以压缩吗?

我们日常生活中知道液压系统,液压系统说白了就是利用液体的压力来传输动力。给人的一种感觉是液体,或者说水是不能被压缩的。

但事实真的是如此吗?答案当然是否定的,事实上,只要足够给力,万物即可压。

今天,我们就来好好聊一聊:水是不是可以被压缩?

体积模量

要了解这个问题,我们就得先了解一下水的结构。我们都知道,万物都是由原子构成的,水也不例外。首先,水是由水分子构成的,水分子则是由一个氧原子和两个氢原子构成的。

衡量物质能不能被压缩,我们常常用到的是体积模量的概念。这个体积模量也被叫做不可压缩量。具体来说,就是当一个物质受到表面四周压强时,形变程度的度量。

不同的物质,实际上,体积模量也不太一样。通过下图,我们就会发现,实际上,水的体积模量并不算大,钢和金刚石在这方面的表面要远比水出色得多。也就是说,从原子的层面来看这个问题,水实际上还是可以被压缩的。只是压缩得程度并不是肉眼可以直观地看出来而已。而体积模量相对较小的空气,压缩的效果就非常明显。

但你可能要说了,这些都是理论,有没有相关的实践呢?

事实上,这个还真的有,有人真的有做过相关的实验,它们选用的就是体积模量非常大的金刚石来做。

具体来说,科学家是用金刚石对顶砧来压缩水,这种设备仪器的强度常常可以高达几十个GPa。我们根据下图,可以知道,想要压缩水,这个压强大概要给到1GPa到10GPa左右。因此,利用金刚石对顶砧来操作这个实验是绰绰有余的。

科学家在操作这个实验的过程当中,就在显微镜线观察到了水被压缩的过程,液态水逐渐在超强的压力逐渐变成固态,而后使得水分子之间的氢键断裂,从低密度状态压缩成了高密度的状态。也就是说,持续地压缩,实际上水会被压成“固体”,但是这个“固体”不同于我们常见的冰,而是密度要远高于冰的固体。

因此,水其实是可以被压缩的,而且在压缩过程当中,会发生化学键的断裂。

原子层面

其实水能被压缩还可以从原子层面来看,我们都知道,万物都是由粒子构成,水也是如此,一般来说,粒子并不是整整齐齐排列的,而是比较散漫的。

这就意味着,粒子之间是有空间的,而不是紧挨在一起的。所以,在保留原子结构的基础上,压缩的本质实际上是压缩粒子之间的空间,而在压缩的状态过程中,物质就会呈现出不同的状态来。上文用金刚石对顶砧来压缩水,其实就是停留在这个层面的实验操作,如果还要压缩水,以人类目前的科技水平可能未必可以实现。假设我们拥有那样的技术,此时会发生什么呢?

实际上,这个时候,有一个种叫做电子简并压的量子效应。具体来说是这样的,原子实际上是电子和原子核构成的。

当我们开始压缩原子结构时,外层的电子就会受到压力,此时由于有泡利不相容原理的存在,电子就会产生抵抗外界压力的力,这就是电子简并压。

如果外界压力小于这个电子简并压,那原子的结构还会得以保留。如果外界压力要大于电子简并压,那么电子就会被压入到原子核当时。实际上,这个物质就会变成中子星物质。意思是说,这个物质几乎就是一坨中子。这是因为电子压入到原子核当中,电子和质子会发生反应,生成中子和中微子,中微子由于穿透力很强,产生后就跑掉,所以,只剩下中子。

这个在宇宙中也时有发生,恒星演化到晚期时,核心部位在引力作用下就有可能产生中子星。中子星属于高密度的天体,一勺中子星就上亿吨重。

宇宙中,除了中子星,还有许多致密的天体,比如,白矮星也是致密的天体,只不过它是处于电子简并压抵抗住引力的状态。而黑洞则是比中子星还要残暴的存在,它的引力十分巨大,以至于中子的简并压都没抵抗住,光到黑洞附近都会被吸进去,因此,黑洞也是十分致密的天体。

所以,从原子层面来看,水也是可以被压缩的,只不过会需要十分巨大的外力,只是我们目前还不具备这样的技术条件。


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