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如果把一百立方米的水压缩成一立方米会怎么样?为什么?


时间:2021-04-14  来源:  作者:[db:作者]  点击次数:


水很难压缩,到了一定的压力,水分子会分解,化学键断裂,分解成氧和氢分子,这时就不是水了。

,海水密度1.03,1万米深海达到1000多大气压,密度变化不大。因为水的密度与水温关系更大,4摄氏度时水的密度最高,所以深海的水密度有时比浅海的水密度小。

把水压缩到1%会导致水分子分解。地球上没有这么大的压力,人类也不可能创造出这么大的压力,所以水永远不可能被压缩到1%体积。

人们在确定物质的密度(比重)时,把水的密度确定为1,根据温度和水里含有的物质不同,大自然中的水比重在1上下浮动。

的1表示1立方厘米的水是1克,1立方厘米是1毫升。1立方米水100万毫升,100万克,重1吨。所以我们买液体物质的时候,往往是以升(L)来计量的。一升1000 ml,一瓶酒500 ml,相当于500克,也就是1 kg。当然,乙醇的密度是0.789,我们平时喝的白酒含有几十个百分点的乙醇,所以500 ml没有1 kg。

水在压力下会升温,因此在压力实验中,需附以外部设备降温。

通过持续加压,水将具有以下性能:

当水处于100个大气压时,液态水就会冻结。当压力增加到3445个大气压,温度降低到-100摄氏度(摄氏度,以后同),高压冰形成,分子间距减小;随着压力的增加,高压冰会达到六方晶体,水分子之间的间隙会越来越小,密度会增加。

但是这种密度增加很微弱,所以体积减少不了多少,一般可以忽略不计。

这时如果增加压强,几百万到几亿的压强,这种变化也是很微弱的,直到水分子的化学键被破坏粉碎,氢氧分子也被粉碎,使氢原子和氧原子变成自由的,甚至核外电子逃逸成为自由电子,核聚变可能被激发。

但此时的水已经不是水,而是氢原子和氧原子的混合气体,很可能是高压下原子汤的稠密半流体状态。有人认为压力极限是几十亿个大气压。

人类产生金属氢时,达到325万个大气压,是人类至今能达到的最高压力。因此,上述水在几百万或更多的高压下的性能实际上是一个理论值。

因此水被压缩100倍的状态是不存在的,不可能存在100立方米水压缩成1立方米的物质。

水的压缩状态会有质的变化。在压力临界点之前,体积变化很小。一旦临界点破了,水就不是水了,状态和体积会发生剧烈变化。但如果一定要说被压缩100倍之后是什么状态,只能说这种物质从过去每立方米1吨水变成了100吨,这个密度在宇宙中算不了什么。

当我们的太阳在一天结束时变成白矮星时,密度会比这个大得多,增加10万倍以上。100立方米的水压成1立方米,只压缩100倍。1立方米的水从过去的1吨变成了100吨,1立方厘米的密度只有100克,而白矮星上的物质是1立方厘米1~10吨。中子星上物质的密度是10亿到20亿吨每立方厘米。

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如果把一百立方米的水压缩成一立方米会怎么样?

至少在地球上,这个宏大的梦想无法实现。在我们人类的技术概念里,水还是不可压缩的物质(可以压缩一点)。比如液压机、油压机都是用水或油来传递压力的!但是我想我没有听说过气动机器,因为气体是可压缩的,所以我们有气动工具或气缸来释放和储存能量。

如果把一百立方米压缩成一立方米,那么它的密度就是100吨/立方米。自然界中密度最大的元素是金属锇,密度为22.6克/立方厘米,换算后约为22.6吨/立方米。你最喜欢的金属黄金才19.32吨/立方米!

那么100吨/立方米的物质是什么呢?让我们找出地球中心物质的密度。

地核的平均密度为10.7克/立方厘米,约为10.7吨/立方米,而地球的平均密度为5.5吨/立方米!看来地心的物质不是我们想要的!

木星核心的密度是多少?根据数据显示,木星核心的密度与太阳核心的密度相似,为120-150吨/立方米。看来这就是我们要找的。很多朋友认为100吨/立方米和太阳核心的密度差不多,所以认为

到了这个密度,这100吨水压缩成的1吨的某种物质就开始核聚变了?

但看起来似乎并不是这样,就如白矮星那真正简并态物质也只有核心部分,外围并非都是简并态物质,或者说中子星的结构:

中子星的外壳也并非全部有中子星物质组成,而是白矮星物质!因此这100吨/一立方米的物质并不足以发生核聚变,也许只是以一种奇异物质的方式存在而已!

那么上文留下了一个问题,为什么太阳密度和木星差不多,而太阳为何会燃烧木星却不会呢?刚解释了还要看压力的大小和这个奇异物质的范围大小,比如太阳的核心都比木星大,而木星的核心却之后太阳的千分之一大小,这两者在同一个数量级上吗?太阳内核压力为2500亿个以上,而木星内核只有4000-4500万个大气压,看来确实不在同一个级别!

将100万立方米的水压缩到1立方米,会发生什么?这是一个有趣的问题。

“液体不能被压缩”是一个为了简化计算而确立的概念。事实上,对液体施加压力是可以改变它的体积的,只是这个改变非常微小,微小到可以不影响计算结果。那么,能不能大幅度增加液体的密度呢?

我们先从原子的结构说起。

大家都知道,原子是由原子核和核外电子构成。原子的质量99%以上集中在原子核上,但原子核只占原子体积的非常小的比例。

图:
氦原子结构示意图

从上图可见,原子体积的绝大部分是被电子云占据的。原子的内部实际上是非常的“空旷”。这就给压缩原子提供了空间。

自然界中发生的“压缩”现象

如果提供住够大的压力,任何物质都可以被压缩。在自然界这种情况是非常常见的。当然,这个自然界是指的宇宙。

如同太阳这么大的恒星,在核聚变燃料耗尽后,会发生重力坍缩,在巨大的万有引力作用下,会形成一种叫“白矮星”的星体,一颗质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般的大小。这个时候,原子核外的电子被压缩到了最低能量级。此时物质的密度达到了1吨/cm³。

图:白矮星

如果恒星残余核心的质量大于1.4个太阳质量(钱德拉塞卡极限),万有引力的压力会把电子压入原子核,形成中子星。中子星的密度为8千万吨~20亿吨/cm³。

图:中子星

如果恒星残余的核心大于3.2倍太阳质量(奥本海默极限),就没有什么可以阻止恒星的重力坍缩了。它会成为一个黑洞。黑洞密度的计算方法与上面不一样,它的体积是黑洞的“视界”,黑洞的质量越大,视界半径就越大,所以它的密度会随着质量的增大而减小,超大质量的黑洞甚至比空气的密度还小。当然,它的核心被认为是一个密度无限大的“奇点”。

图:黑洞

100万立方米的水被压缩到1立方米的体积,密度为100万吨/m³,也就是1吨/cm³,对比上面的数据看出,已经达到了白矮星的密度,但远未达到中子星的密度。

压缩水的过程中会发生什么?

由于水的组成为氢和氧元素,在压缩过程中,温度会急剧升高。在压力和高温的作用下,会首先启动氢的核聚变,然后是氦的核聚变……最终水里的氢原子会被聚变到碳,最终得到一个碳、氧核。当然,由于核聚变会使质量转变成能量并散失掉,最终得到的质量会比100万吨少一些。

按正常的情况来算,水在4摄氏度左右时,密度最大,也就是10^3kg/m^3,所以说,100立方米的水原本的质量是100吨。把这么100吨的水压缩到只有1立方米体积大小,此时的密度为100吨/每立方米,又因为1立方米等于100万立方厘米,所以,此时的奇异物质密度为100克每立方厘米。

地球的平均密度是每立方厘米5.5克,所以此时的奇异物质密度是地球平均密度的18倍,那么它是什么样的一团物质呢?

宇宙中白矮星的密度大约为1吨每立方厘米,所以,被压缩后的这团奇异物质还没有达到白矮星物质密度的级别。

我们再来寻找一下宇宙中哪里的物质有100克每立方厘米的密度。答案就在太阳核心处,在太阳核反应区中,物质密度达到了150000 kg/m^3,换算一下也就是150克每立方厘米,大概符合刚才得出的数据。

所以,这是一团近似于太阳核心处稍边缘地带的等离子态物质,温度极高,应该在1000万摄氏度左右,此时,你看着那团被压缩的水,随着体积越来越小,温度越来越高,渐渐地发出耀眼的光芒,蕴含着恐怖的能量。

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答:此时密度为100吨每立方米,几乎就是太阳核心的密度,估计氢原子已经达到聚变条件。


首先,只要压力足够高,水也是可以压缩的,比如1万米深的海底,水的体积就被压缩了大约1.8%;水分子由一个氧原子和2个氢原子构成,原子之间以化学键连接。

在原子中,原子核的直径只有整个原子直径的百万分之一,在外部作用力的情况下,原子之间的距离是可以被压缩的,此时单个原子的电子云向内挤压,物质密度增加。


把一百立方米的水压缩成一立方米,密度为100g/cm^3,这几乎就是太阳内部的密度,压强有1000亿个大气压。

被压缩的物体温度会升高,加上如此高的压力,水分子的化学键已经被破坏,氧原子和氢原子均以等离子体形式存在;如果温度足够高,其中的氢原子还会发生核聚变,聚变生成氦原子,并释放大量能量。


在宇宙中,存在很多密度极端的物质,比如:

(1)地球核心的密度,大约是11g/cm^3,主要由铁镍元素组成;

(2)太阳核心密度,大约100~150g/cm^3,主要由氢、氦元素组成;

(3)白矮星密度,0.1~10t/cm^3,主要由碳、氧、硅等等元素组成;

(4)中子星密度,10^8~10^9t/cm^3,由中子组成。

极端条件下的物质,密度几乎决定了物质的性质,一百立方米的水压缩成一立方米,最接近太阳内部的情况。


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从常识来看,气体较容易压缩。但是液态和固态压缩就非常难了。想把水从一百立方米压缩到一立方米技术上达不到。

但是从理论上讲任何物质只要外力足够大就可以被压缩。从原子层次来看,原子内部包含原子核和核外电子,而原子核的直径只占到原子直径的二十万分之一,核外电子几乎可以忽略,所以微观层次来看是有压缩空间的。如果技术可以甚至能把这100立方米的水直接压缩成黑洞。

100立方米的水压缩成1立方米密度变为100吨/立方米,大约是100g/立方厘米。这个密度下水分子键应该会被破坏,变为离子态。水分子中含有氢原子正好是核聚变的原材料。

被压缩后的水密度差不多达到了太阳内核处的密度,微观粒子运动剧烈温度升高,碰撞发生核聚变的几率升高,在这团水的内部很可能会发生核聚变像太阳一样释放能量。


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假设能把100立方米的水压缩成1立方米,那水将不再是水。它的内部很可能会发生剧烈的核聚变反应,但是以目前的科学技术水平是做不到这一点的。


首先,我们来看看水为什么可以被压缩?


其实在很多人看来,水是不能够被压缩的,我们只能改变水的的存在状态,使它在气态、液态和固态之间互相转换,但是不论怎样转换它依旧还是水,分子式还是H2O,不会变成其它物质。但是其实水是可以被压缩的,因为水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成的,而不论哪种原子,它的内部空间都极其广大。因为原子是由原子核和电子组成的,原子的直径数量级为10^(-10)米,那么它的体积的数量级就有 10^(-30) 立方米 而原子核的直径数量级为10^(-15)米,则它的体积的数量级就有 10^(-45) 立方米 可见,原子核的体积与原子的体积数量级之比是 10^(-45) / 10^(-30)=10^(-15) 也就是说,原子核的体积仅占整个原子的几千亿分之一,而电子比原子核更小,也就是说原子内部绝大部分空间都是空的,只要有足够的压力,原子都是可以被压缩的,所以水当然也可以被压缩。

其次,一百立方米的水被压缩后成一立方米之后还会是水吗?

100立方米的水被压缩成1立方米,也就是说密度达到了100吨/立方米,而据测算,太阳的核心密度是150吨/立方米,也就是说此时“水”的密度已经跟太阳如此密度已经很接近了,而密度是一个物质的基本属性,密度发生变化,物质也就不是原来的那个物质了,所以此时的“水”也就不再是水了。

再次,不断压缩的过程就是宇宙大爆炸中物质从无到有的过程

如果在上述的基础上继续进行压缩,压力继续增大,原子核靠的更近,那么在伽莫夫因子条件下,它们将在一定概率下穿越库仑斥力壁垒结合在一起,这就是氢弹爆炸的链式反应第一步!如果这种水中含有重水也就是氘原子,那么一个氘原子和一个氢原子结合就会生成氦三原子,继续施压这些物质会继续反应,氦三结合会形成氦四,而氦四后的反应顺序则为: 氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56 只要压力无限的变大,这就是物质就会不断的进行转变,这也就是宇宙中物质产生的一个过程。

最后,如果对地球进行无限压缩会怎样?

回答了以上问题,我们再来看一个有趣的问题,如果对地球进行无限压缩,那会怎么样呢?答案是当地球的半径小于9毫米时候,也就是当地球像一颗小豌豆那么大时,它就会由于承受不住自身的重力而发生塌缩,变成一个小黑洞。也就是说在豌豆大小的体积里面包含了我们这个世界所有的一切!所有的人类和动物,金属矿物森林房屋山川河流海洋都在这个豌豆大小的世界中,这是不是很有趣?但这个豌豆也相当的危险,如果它发生大爆炸,可能又会被另一种智慧生物称之为“宇宙”。

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在很多人的传统认知里,已经默认水是不能被压缩的,在初中物理课上估计很多老师都是这么讲的!

但事实上,任何物质都可以被压缩,哪怕是铁块金块也不例外,只要有足够的压力都可以做到,这与原子的结构有关!

我们都知道原子是由原子核和电子组成的,而原子核的大小仅占整个原子的百万分之一,而电子比原子核更小,也就是说原子内部绝大部分空间都是空的,所以只要有足够的压力,原子都是可以被压缩的!

那么一百立方米的水被压缩成一立方米,也就是说密度达到了100吨/立方米,如此密度已经很大了,几乎与太阳核心温度一样了,如此密度估计会引发聚变反应!

从100立方米到1立方米,很可能水不再是水,具体会是什么我也无法确定,通过计算应该能推算出来,会是由更重的元素组成的物质!

可以预见的是,100立方米的水不但能被压缩到1立方米,还可以被压缩到更小的体积,直到成为白矮星,中子星,甚至是黑洞。

白矮星的密度为0.1-10吨/立方厘米,中子星的密度更恐怖,达到10的8次方吨/立方厘米,巨大的压力把电子压缩到原子核与质子结合成中子,只剩下中子了,所以叫中子星!

那么比中子星密度更大的黑洞里面是什么?目前没人知道,这是另外一个大问题,也是一个非常深奥的问题!

确实理论上任何物质都可以进行压缩,因为原子间会存在距离,原子内部也是有着巨大空隙的,就好比中子星一样,巨大的压力将原子结构都破坏掉。

如果从压缩难度来看,一般情况下无疑是固>液>气。但是液态就已经很难了,拿水为例我们知道著名的马里亚纳海沟深度可以达到10000米,压强巨大但水的密度也只比地面上的水密度大了4.96%。

回到题主的问题,一百立方米的水压缩到一立方米意味着水的密度变为100吨每立方米!也就是100g/cm^3,结合数据中子星密度在1亿吨每立方厘米,所以此时还没有达到原子结构被破坏得程度,但是这个密度却已经接近太阳核心的密度了,因此我们能够得到一个结论:这个时候这团“水”开始核聚变了。

这是因为随着水的不断压缩,水分子的化学键被破坏,温度不断升高,氧原子和氢原子均以等离子体形式存在,当温度到达一定程序,核聚变就会开始。

所以这团水最终已经不能叫做水了,因为其分子结构已经被破坏。当然还要说的是现实情况下将水如此压缩是不可能的。

一般我们都把水当做不可压缩体看待,那是因为它的体积压缩系数太小(意思就是压缩难度非常大)。

但难压缩不代表不能压缩,要是真存在不可压缩物体,那宇宙中的那些恒星、白矮星、中子星哪来的?

所以说,在不考虑压缩手段的前提下,如果将一百立方米的水压缩为一立方米之后,形成的物质,所具有的密度达到了惊人的100吨每立方米,这几乎能与太阳中心的密度相比较了(150吨每立方米)。

考虑到原始恒星质量达到太阳的10%左右即可发生核聚变反应,因此我们这密度为100吨每立方米的物质,应当是具备核聚变条件了。

我们把眼光放广一些,会发现这样的密度在宇宙中并不罕见,出来恒星普遍拥有之外,恒星后期演化的产物,比如白矮星、中子星等,它们的密度更是惊人。

就直接说中子星吧,由于引力过于突出,以致于原子结构都被破坏,电子被压进质子形成了中子,结果就是中子星的密度甚至达到了每立方厘米数亿吨的地步。

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