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如果人类能把100吨水装到1立方米的容器中,或将开启新纪元

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科学探索菌 2021-07-30 11:57

水是可以压缩的,只不过很难

水和空气都是流体,空气可以被压缩,水却不行。一般我们认为液体是不可压缩的,比如水压机和油压机就是通过液体来传递压力的。

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其实,一切物质皆可以压缩,因为分子与分子之间存在间隙,原子与原子之间也存在间隙,而原子内部更是存在广阔的空间,它的体积99%都集中在一个很小很小的原子核上。想要将它们压缩,就需要克服分子、原子之间的斥力,但所需要的压力极大,一般很难达到,所以通常认为液体和固体是不可压缩的。

在常温常压下,纯水的密度大约为1吨每立方米。海水中由于含有盐等其它物质,所以密度比纯水高。

压力可以改变物质的密度。在地球海洋中,深度每下降10米左右,海水的压力就会增加一个大气压。在1万米的深海,那里的压力达到了1000个标准大气压,是海平面压力的1000倍。在巨压之下,水依然是液态的,密度却比海平面水的密度高了5%左右。可见水确实可以压缩,只是比较难。

温度的变化也可以改变水的密度。大多数物质存在热胀冷缩现象,可水在4℃~0℃时会出现反常膨胀现象,也就是热缩冷胀。水在4℃左右时密度最大。此外,水结冰后,体积也会膨胀,不过冰依然遵循热胀冷缩。罐装饮料禁止冷冻就是为了防止爆瓶,特别是碳酸饮料。

把100立方米的水压缩成1立方米,需要多大的压力?

100立方米的水大约100吨,压缩成一立方米,那么它的密度将达到100吨每立方米。地球上密度最大的物质是金属锇,它的密度大约为22.6吨每立方米,即使是地核的密度也比不上它。

100吨每立方米的物质在地球上是不存在的,我们只能前往宇宙寻找它的身影。研究显示,太阳内核的密度大约在150吨每立方米左右,比100亿吨每立方米高一些。

在宇宙中,100吨每立方米并不大,还有密度更高的物质。白矮星上的物质密度可以达到100万吨每立方米,在这种状态下,连原子核外的电子壳层都破碎了,处于此状态下的物质被称为超固态物质。而中子星上的物质密度更是高达100万亿吨每立方米,处于这种状态下的物质被称之为中子态,因为在这种状态下连原子结构也破碎了,核外电子已经被压进原子核,并与核中的质子结合,变成了中子。密度再往上,达到临界值,由于小范围的空间内聚集了太多物质,连时空都会“破碎”,形成几乎可以吞噬一切的黑洞。此时物质去哪了,是什么状态,连科学家都不知道!

根据科学家的估计,太阳的内部压力相当于3000亿个标准大气压。那想要把水的密度压缩至100吨每立方米,估计至少需要上百亿个大气压,这样的压力通常只有在恒星级别的天体中才能实现。

虽然人类已经能够在大型强子对撞机中产生仅次于黑洞内部的压力,不过这只适用于微观物质,根本无法用来压缩宏观物质。所以,将100吨的水压缩至一立方米,目前人类还没有这个能力,根本办不到。

水压缩到这种状态,会发生什么变化?

水是由分子构成的,只要施加压力,分子间的间隙就会变小,密度就会增大,只不过在压力不够大时,这种变化并不明显。压缩做功会使物体的内能增加,温度升高。当压力足够大时,水分子不仅会紧紧地挤在一起,连水分子的化学键也会断裂。此时,化学意义上的水就不存在了,取而代之的是由氢和氧构成的特殊物质——等离子体。

太阳内部的高密度物质是等离子体,温度高达1500℃。太阳之所以会发光发热,就源于内部的核聚变反应。如果100吨的水被压缩至一立方米的空间范围内,是不是意味着有可能会发生氢核聚变,变成一个小太阳?事实并非如此,物质密度达到100吨每立方米,所形成的高温高压条件还不足以和太阳内部媲美,况且太阳内部之所以能够持续不断地发生核聚变,还取决于质量上的规模效应。

人类一直致力于实现可控核聚变,可是由于很难让核燃料处于太阳内部那么高的压力状态下,所以必须要将核燃料的温度提高至上亿摄氏度,这样才能发生核聚变。

如果人类真的有能力将100立方米的水压缩至一立方米,这将需要产生超强的压力,那么人类绝对就有能力实现可控核聚变了,那时人类应该不用为能源问题苦恼了,这难道不是开启了新纪元吗?

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