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本帖被 xgch 执行加亮操作(2024-01-01)
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网上有很多压缩物体的视频,似乎万物皆可压缩,唯独没有见过压缩水。那么水作为一种流动的液体形态,是否可以被压缩呢?极限施压后又会怎么样呢?水可以被压缩吗水能以转化形态的方式出现,比如温度高了就会变成气体,温度太低就会变成固体,常温状态下一般是液体状态。在常规的认知中,水变成固体的冰之后,可以被压缩而碎裂。而如果是液体的形式,因为流动无法被束缚的特性,因此表面看起来无法被压缩。可实际上万事万物,包括水在内都能被压缩,只不过作为液体,水能被压缩的程度会有些不同。再者因为流体的特性,导致人眼难以从微观的角度,观察水被压缩后的变化是什么。从理论上看,水就是分子形态的各种组合,肉眼不可见的状态下,这些分子组合成为不同的形状,液体的状态可流动,固体成冰的状态似乎又牢牢咬合在一起。哪怕是气态的状态下,我们看到的水蒸气,其实也是分子结构距离大而形成的间隔。所谓的水蒸气遇冷凝结成水,就是在温度的作用下,那些水分子又从间距宽的情况下,慢慢聚合在了一起。等聚合达到一定的程度后,气态就由变成了液体状态。同样在进一步的聚合作用下,也会从液体变成固体。如果是从微观的角度去看的话,水的三种不同形态,其实就是不同环境下其自身空间的变化,换言之就像被压缩之后,其内部空间和间隔距离发生的转化。水分子之间存在缝隙,只是这缝隙属于微观状态下的存在,借助于仪器人类才能观察到。同样构成水分子的氢原子和氧原子,其在不同活跃状态下也存在间距。假如对其施加压力的话,它们各自的形态也会发生变化。只不过间距小,再加上分子以及原子间相互的作用力,在对其压缩的时候,其发生的压缩程度不大而已。理论上说,如果温度不改变的情况下,压力无限增大,水被持续压缩其形态就会从液态转变成固态。上述只是理论上的状态,而且在我们的星球上,自然界中难以呈现出这种现象。而在实验室里,借助于设备和提供的条件就能实现这种情况。同样在别的星球上,其内部超乎想象的压强,也使得液态水会以固体的形式呈现出来。关于这一点,等下面再详细来说。现在,我们先从宏观的视野,在人类生活的自然环境中,看看水作为液体,其面临的最大压强是什么。其实这个地方就是海洋。地球上八成以上的地方都被海水覆盖,深不可测的大洋低处,越往水下,海水的密度就越大于表面的密度。很关键的原因,就是它们被上面堆叠的海水给压缩了。被高压下的水会发生什么情况地球上的海洋,其平均的深度在3700米左右,如果只看一些区域的话,最深的地方当属马里亚纳海沟,其深度超过了11000米。所以相比于其他海洋区域,这里海水的压强和密度也要大很多。理论上说,水深每增加10米,就会增加一个大气压强。按照公式计算,马里亚纳海沟的大气压,相当于1100个。假如一个人乘坐潜水装置来到海沟底部,从海沟底部罐装一部分水。等潜水器开始上浮的时候,由于压强随着高度的变化而减小,原本被压缩的水也会逐渐减小压力而“膨胀”起来。假如这个盛水的容器很不结实,水膨胀的体积超过了容器的容量,压强被释放的那一刻,可能会直接让容器爆裂开来。这可不是想象出来的,深海探险者遭遇过类似的压强释放过程。20世纪,巴顿和比伯对于深海探测异常感兴趣,他们跟人合作,发明和改装各种深海探测装置,而后下潜到深不可测的海底探索未知世界。起初的探测装置就是一个金属容器,由于没有窗户,即便人随着装置下潜到海底,什么也看不到。巴顿作为工程师,很快就想到了解决的办法。要想下潜到更深的海底,由于压强异常大,下潜设备如果留窗户的话,就需要坚硬的玻璃才行。为此巴顿经过专门的设计,使用了厚实的石英玻璃。他制造改装的潜水装置,就是一个大圆球,内部是空的,人可以蜷缩在里面。圆球的表面留了三个窗户,为方便下潜者观看水下世界。设备制造完成后,两个人曾在百慕大海域做过几次的下潜,而且下潜的深度一次比一次深。前几次的下潜测试很顺利,并没有发生什么意外。再后来的一次下潜中,金属容器的内部渗水了。两个人当时并没有当回事,而是继续下潜。等一切测试完成后,巨大的金属容器被绞盘拽了上来,此刻内部已经渗入了不少水。外面的工作人员,需要将固定出口的螺栓拧开,两个人才能从里面出来。就在螺栓被一一松开的那一刻,意外发生了,容器内部渗入的水,竟然像子弹一样喷射了出来。巨大的压力,直接把其中一个螺栓弹飞开来,飞出去的螺栓,在钢制的甲板上都砸出了一个缺口。假如螺栓砸在人身上的话,直接就会让对方毙命。很显然,海底下的水压力被释放的那一刻,会产生强大的威力。类似的事故也不是没发生过。今年夏天,几个国外富豪乘坐下潜设备,到泰坦尼克号沉没点游览,他们却不幸都成为了陪葬品。事故发生在3800米深的海底,这一位置的大气压强是40兆帕,这个压力比地面上高了390倍,类似于400公斤的重压。很显然几个人乘坐的潜水器没有承受住巨大的压强,在巨大的压力下潜水器内部发生了爆炸。可以想象得到,在巨大的压力面前,人类很渺小。甚至有说法是,探索深海的难度,比现在发射卫星的难度还要高。回到水被压缩这个问题上来看,海洋深处的水,遭遇上面的叠加肯定是被压缩了的。只不过水始终是流体状态,就会让人误认为它没有任何危险。有意思的是,人类自身无法面对海洋深处巨大的压强,可是在海洋的深处,依然有各种动物存活。它们究竟是靠着什么来抵御强大压力的,也始终吸引着人类的目光。而且在巴顿和比伯的下潜测试中,有一次测试,他们转门在金属容器的外面悬挂了一条活鱼,就是想测试一下这条鱼下潜到一定深度后是否还能存活。等金属容器被拉上来后,人们发现那条鱼居然还活蹦乱跳。很显然,相比于人类,海洋中很多生物,它们能够承受的压强,要远远比我们高。而对于水这种物质,压力之下不但会形变,而且其独特的存在,也让科学家围绕一个实验前后进行了20多年的研究。水是两种液体水的形态会随着温度和压强而改变,比如水蒸气,只要对它进行压缩,它会逐渐呈现出液体的状态。但如果温度变高,液体又会逐渐变成气体。假如温度和压力同时增加的话,理论上达到一个临界点,那么此时的水究竟是液体还是气体,就有些分辨不出来了。除了这个临界点之外,自然界中有的物质还存在低温的临界点,这个被称为第二临界点。上世纪90年代,波士顿大学的研究者认为,水也应该会存在第二临界点。当时的研究发现,水只要在温度下降的过程中,其密度就会存在起伏变化,而且温度越低,起伏变化越大。研究人员推断,这便是水达到第二临界点的特征,在这种状态下,水会分裂成密度不同的两种液体, 这两种区分不出是什么形态,且水会在固体和和液体的状态间迅速变化。但在彼时仅仅是理论上的推断,没有条件进行相关的实验。一直到2017年,利用更先进的设备技术,模拟出真空低温环境,研究人员终于捕捉到了水滴的形态变化。按照这一理论,水不是一种液体而是两种,而且各自具有不同的结构。而且科研人员进一步推断,正是由于水的这种特征,才是生命得以出现的重要原因。当然,上述的理论依然处于实验和假设阶段,相比下一步科研人员依然还会围绕水展开更深的研究。同样,另外的科研人员,也发现了水的其他形态。超离子水水的三种形态,仅仅是常规的认知,而随着研究的深入,水的相关形态目前已经发现了有19种。其中有一种,就跟强大的压力和高温有关。2018年的一次实验中,研究人员给一滴水施加了200万个大气压强的压力,另一方面又以5000℃的高温去穿透它。在巨大的压力和高温之下,那滴水并没有灰飞烟灭,而是转化成为一种奇特的固态。这种状态被称为超离子水,它呈现出奇异的黑色,其自身的密度要比一般的冰块密度大4倍。实验中,那块冰呈现的时长只有20纳秒,而且地球上没有这种物质。不过科学家相信,天王星和海王星的内部,因为超乎寻常的压强,其中水的形态就是超离子水。而且也正是因为这种形态的存在,构成了两颗星球特殊而紊乱的磁场。当然,这一切同样也还是科学家的猜测性研究。结语水是生命形成的必备元素,就地球来看,水构成的各种状态,都是围绕地球的环境而呈现出来的。反过来说,在宇宙的更深处,水还可能会以别的我们所不知道的状态存在。所以说,这个每天距离我们最近,又是我们必不可少的物质,实际上是如此的奇特而又神秘。
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