A子琿琿Sweet
答:本質上說,這是人為規定的結果,攝氏溫標把水的沸點溫度定義為100℃。
攝氏溫標
水屬於晶體類物質,在壓力一定時,晶體類物質都存在固定的熔點和沸點;利用水的這一特性,科學家最初在1742年制定了攝氏溫標。
攝氏溫標定義:在1個標準大氣壓下,規定水的沸點為100℃,規定冰水混合物為0℃。
所以開水的溫度為100℃,並非巧合!而是我們定義了此時水的溫度為100℃,當然是在標準大氣壓下。
實際當中,絕大部分地區大氣壓都比標準大氣壓低,所以開水一般會比100℃略低。
熱力學溫標
攝氏溫標廣泛被人們使用,實際使用非常方便,但是在物理學中,攝氏溫標不方便參與方程運算,於是在1848年,大科學家開爾文利用熱力學第二定律,又制定了熱力學溫標。
熱力學溫標定義:規定水的三相點溫度為273.16K(0.01℃),絕對零度為0K。
之所以會選用273.16這個數值,那是為了配合攝氏溫標的使用;科學家制定攝氏溫標時,還沒有熱力學第二定律,攝氏溫標制定後,絕對零度自然就是-273.15℃,水的三相點自然就是0.01℃。
其他溫標
為了使熱力學溫標和攝氏溫標的溫度間隔一致,所以才選定了273.16這個數值,熱力學溫標基於熱力學第二定律制定,可以直接參與熱力學方程計算,在理論計算上非常方便。
除了熱力學溫標和攝氏溫標外,還有華氏溫標和凱氏溫標,在某些場合也有使用。
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艾伯史密斯
其實這是一個誤解,因為攝氏度本來就是根據一個標準大氣壓下水的沸點和結冰溫度定義的,即把結冰的溫度定為零攝氏度,把沸騰溫度定為一百攝氏度,中間進行一百份等分。水這種物質不像玻璃、蠟燭這些物質,水恰好有固定的熔點和沸點的,所以可以用水來對溫度進行定義反過來說,如果選用的是蠟燭,那麼溫度的定義就會變得很不穩定,因為蠟燭等物質不是晶體。
所以認為這是巧合只是因為對定義不清晰罷了,沒什麼奇妙的原因。
看風景的蝸牛君
用上面的這張水的三相圖來理解這個問題。
在標準大氣壓下(100kPa),假設溫度是-200℃,水呈現的是固態也就是我們所說的冰,並且我們把冰放置在一個容器中對它均勻加熱,來分析一下冰的變化過程。
我們對冰加熱,冰吸熱溫度逐漸升高,當冰溫度達到0℃時,也就是上圖的固態液態分界線時,冰開始融化,此時水以冰水混合物的形式存在,並且只要冰沒有完全融化,冰水混合物的溫度一直保持在0℃。直到某一刻並完全溶化成水後,水繼續吸熱,溫度才開始由0℃繼續上升。
我們繼續在標準大氣壓下對水加熱,當水的溫度達到三相圖中的液態氣態分界線時,水開始沸騰,此時液態的水變為了氣態液態的混合物,水沸騰時內部急劇氣化並大量吸熱,使水的溫度會維持在100℃,直到水全部蒸發完。
過了一定時間水由液態全部變為氣態也就是水蒸氣,繼續對已經變為了氣態的水蒸氣加熱,這時水蒸氣的溫度就會從100℃繼續上升,並且體積開始膨脹。
這就是水在標準大氣壓下從-200℃一直被加熱變為水蒸氣的全過程,我們用橫座標t來表示加熱時間,縱座標T來表示水的溫度,可以得到下面這張圖。
在標準大氣壓下,水的冰點0℃以及沸點100℃決定了它在某一溫度下的形態。燒開水達到100℃,水會急劇氣化成水蒸氣,要使水的溫度繼續上升,就必須等全部氣化變為水蒸氣才能實現,不過這個時候你就不能享用開水了,因為水都氣化了。換句話說這完全是由水的物理性質決定的。
那如何才能使水在液態下可以超過100℃?
我們通過最前面的那張水的三相圖可以看到,將壓力線升高,水的沸點會向右移動,也就是說外界壓力越高,水的沸點也越高,所以要得到110℃的水只需對水加壓。比如我們用壓力鍋來燒水,壓力鍋是一個密閉的容器,當水加熱溫度升高,部分水被氣化成水蒸氣,壓力鍋內的壓力隨之就升高,因此水的沸點也就升高,一般壓力鍋可以使水的沸點達到120℃,這也是為什麼用壓力鍋煮食物更容易熟的原因。
相反如果外界壓力低於標準大氣壓,水的沸點就會降低,比如在高原地區水的沸點只能達到80~90℃,因此在高原地區如果沒有壓力鍋的話煮出來的米飯吃起來會夾生,因為那裡水溫達不到100℃。
再比如,壓水堆核電站核反應堆壓力容器內的水壓力可以高達17MPa,相當於170個標準大氣壓,因此這裡面的水的溫度可以達到350℃而不沸騰。下圖為壓水堆堆芯壓力容器。
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熊貓愛飛行
這個問題容易讓回答者誤解,因為問題可能有兩種問法,第一種:為什麼水會剛好100攝氏度就燒不上去,為什麼剛剛好是100這個整數?第二種:為什麼水沸騰的溫度不能更高?這兩種疑惑我都回答一下。
第一種:為什麼水會剛好100攝氏度就燒不上去,為什麼剛剛好是100這個整數?
因為這是人為規定的,水的沸點在標準大氣壓下100攝氏度沸騰。目前世界上大多數國家使用的都是攝氏度℃,攝氏度℃在1742年第一次被瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯提出,當時他將0攝氏度定義為水的沸點,將100攝氏度定義為水的凝固點。是的,你沒看錯,和現在的定義完全相反。這套規則使用一段時間後,許多科學家感到很不方便,於是就將它顛倒過來,定義為標準大氣壓下,0攝氏度凝固點,100攝氏度沸點,之間間隔了100等分。這完全是人為定義的,如果當時定義為零下100攝氏度凝固點,200攝氏度沸點,這樣也可以,就是個文字遊戲而已,科學本質不會改變。
第二種:水的沸點為什麼不能更高?
水的沸點高低只和氣壓有關,所以在高山上氣壓低,水可能90攝氏度就沸騰了,在高壓鍋中氣壓高,水可能要到110攝氏度才沸騰。
本質上來說,水燒到一定程度燒不上去是因為:水分子是分子晶體,水分子間的相互作用力是範德華力和氫鍵,將水煮沸的過程就是提供能量打破範德華力和氫鍵的過程。
當壓強變大,分子之間的相互作用力會變得更牢固,所以需要更高的溫度才能夠打破,那麼就是壓強越大,水能夠達到的溫度就越高,水的沸點也就越高。
科學薛定諤的貓
看到這個問題,有點丈二和尚摸不著頭腦,沒有來由的一個問題不知從何寫起,仔細想,這個問題由於缺少必要的前提和背景可能成為一道錯題。
再回到這個題目,我想從以下兩個點來解釋。
一、燒水沸騰時的溫度是100°是怎麼回事?
我們來看看攝氏度的含義,攝氏度的定義是指在1個標準大氣壓下,純淨的冰水混合物溫度為0度,水沸騰的溫度為100度,將其中間平分為100份,每一份為1度。
所以說,這個100°是規定出來的,不是開水燒到100°上不去,而是水燒開的溫度定為100°,它就算是101°、110°,也將它定為了100°(前提是1個標準大氣壓下)。
攝氏溫標是18世紀瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯創立的,於1954年第十屆國際度量衡大會正式命名,並用他的姓氏第一個字母C表示。國際上常用的溫標還有華氏溫標、熱力學溫標、蘭金溫標等。
二、沸騰的水溫度能達到110℃嗎?
答案是肯定的。沸騰是一定溫度下液體內部和表面同事發生劇烈的汽化現象。沸點是液體沸騰時的溫度,沸點與環境壓力有關,壓力約高沸點約高。
在國際攝氏溫標定義水的沸騰溫度是在1個標準大氣壓下進行的,如果水受到的壓力增大,其沸騰是的溫度也就相應提高。這個也就是高壓鍋的原理。高壓鍋利用密閉的空間保留水蒸氣,使鍋內壓力升高,水沸騰時的溫度可超過100℃,飯更容易熟。相反,在海拔較高的地區,大氣壓較低,如我國的西藏地區,燒水煮飯沸騰時的溫度往往達不到100℃。
綜上兩個層次的分析,就能理解為啥說,離開前提和背景問這個問題是不成立的。
留白說
這個問題比較簡單,但有幾點仍然要說明一下,第一就是開水燒到100度其實只是人為規定,物理學上把水的沸點定義為100攝氏度,而冰點定為0度;第二是通過對液態水進行加熱,當水溫上升到100度時就開始氣化了,也就是說這時變成了氣態水,液態水燒開時的溫度時也就只有100度,高於100度時已經變成了水蒸汽,這是水的重要物理特性;第三就是大氣壓強的約定,液態水在一個標準大氣壓下最高的溫度是100攝氏度,就是說水的沸點與大氣的壓強有關,氣壓越高的地方水的沸點也就越高,如高壓鍋裡的水溫可達110度左右,但云貴川高原大約98度,而更高的西藏高原,大約80多度水就煮沸了,液態水一旦達到了沸點,不論再怎麼繼續燒下去,水的沸點還是保持不變,它只會繼續增加蒸發。就是說,水的沸點和大氣壓強密切相關。
現在總結一下吧,開水燒到100度就上不去了,一方面這是人為規定,定義水的沸點是100度,冰點是0度,另外這也是液態水的物理特性,是液態水和氣態水的分界點,更重要的是,這是在一個標準大氣壓下水的沸點,氣壓不同時,沸點也會變化。
其實,現在飲水機的水只燒到85到95度就保持恆溫了,傳統的鍋或者開水壺燒水,因為水沸騰之後特徵明顯,這時水溫不再繼續上升,所以很容易識別。
(問題好簡單,我說的很囉嗦,是為了湊字數,請大家給點個贊吧)
震長
對這個問題的回答,其實分為兩部分:一,為什麼存在一個現象叫做“氣液相變”;二,為什麼水在一個大氣壓下的氣液相變溫度被設置為了100攝氏度。
一,為什麼會有氣液相變?
氣液相變是一個非常普遍的現象,遠遠不限於水,幾乎任何物質都可以發生(除了那些在變成氣體之前就分解了的物質之外,例如硝酸銨)。
這個現象的基本原因,是能量與熵之間的競爭。熵是什麼?大致而言,熵是對體系無序程度的量度。在給定的溫度、壓強條件下,體系總是傾向於有更低的能量、更高的熵,但這兩個因素常常是矛盾的,所以就出現了取捨。
液體跟氣體相比,分子之間的距離近,相互作用強(在這裡相互作用是吸引的),所以液體的能量低於氣體。但是液體中分子的運動受到其他分子的限制,好比你站在一輛擁擠的公共汽車上,你的運動範圍和姿勢取向都需要考慮到於周圍的人,你肯定很不自在。這就意味著,液體的熵低於氣體。
因此,能量的因素有利於液體,而熵的因素有利於氣體。能量和熵的量綱並不相同,熵乘以溫度是能量的量綱。因此,你真正比較的,一邊是能量,另一邊是熵乘以溫度。
在溫度較低時,能量的因素勝出,所以體系處於液態。在溫度較高時,熵的因素勝出,所以體系處於氣體。兩者剛好相等的時候,就是相變。
在氣液相變的過程中,液體和氣體處於同樣的溫度,即沸點。如果提供更多的熱量,只是使更多的液體變成氣體,不會使液體或氣體的溫度升高。 只有當液體完全氣化了,外加的熱量才會使氣體的溫度進一步升高。
二,為什麼水在一個大氣壓下的沸點被設置在了100攝氏度?
因為攝氏溫標就是這麼規定的。水是相當常見的物質,人們把水的凝固點規定為0攝氏度,沸點規定為100攝氏度,然後把溫度計在這個區間內等分為100份,規定水銀每上升一格就是一度。
這其實只是人為的規定而已,並不是大自然的基本常數,因為它取決於壓強。如果外部壓強不是一個大氣壓,好比你在高原上,水的沸點就不是100攝氏度了。
那麼,有沒有可能設計一種更好的溫標呢?可以。水的三相點,即氣態液態固態共存的那個溫度和壓強,就是確定不變的。
水的三相點
在攝氏溫標中,水的三相點溫度是0.01攝氏度。在國際溫標中,規定水的三相點溫度為273.16開爾文,它跟絕對零度之間分成273.16份,每一份就是1開爾文。這個溫標就比攝氏溫標科學得多!
袁嵐峰
首先,明確的一點是,這個100度的數字,是人為定義的!攝爾修斯在制定溫標的時候,就是把在常壓下的水的沸點和冰水混合物之間的溫度差異定義成一百個等分,前者就是100度,後者就是0度。換一個溫標的話,這個數字當然不一樣,比如華氏溫標裡面水的沸點就是212度,熱力學溫標裡,水的沸點就是373度。
其次,拋開定義不管,咱們就用攝氏溫標來討論,水的沸點溫度一定是100度嗎?答案當然不是。水的沸點和它所處的氣壓有關,在氣壓低的海拔數千米的青藏高原,水的沸點可能低於90度,煮飯經常煮不熟而需要藉助高壓鍋。如果在平原上用高壓鍋,那麼水的沸點就會提升到100度以上,所以燉東西又快又爛。事實上,如果壓強足夠高,水的沸點完全可以在200度以上!
最後,我們要回歸到水的相圖上來討論這個問題。水的相主要是固、液、氣三種,但是具體固體的冰也有很多種結構,我們不妨忽略這個細節。水的三種相,是依賴於溫度和壓強的,換句話說,我們討論水的溫度時候,它到底處於固液氣哪種狀態,要問具體壓強是多少。嚴格來說,攝爾修斯定義的0度是冰水混合物,在熱力學溫標裡是273.15K,但是水的三相點才是最為穩定的,在611.73Pa氣壓的情況下,冰、水、水蒸氣可以共存在同一個溫度下,這個溫度是273.16 K,後者才是熱力學溫標和攝氏溫度的正確換算關係定義。
最最後,我們就固定壓強不變情況下,水的沸點也恰好是100攝氏度了,那麼,繼續燒下去,為什麼水不會超過100度呢?按理來說,水在不停被加熱,應該是越來越熱才對啊?這裡涉及的就是基本的相變知識。水沸騰過程是一種相變,從液態水劇烈汽化成水蒸氣。這種相變是一種不連續相變,或者說是一階相變。同理,還有連續相變,也就是二階和三階相變等。一階相變最大的特點,就是熱力學量的不連續,也就是存在相變潛熱。潛熱的意思就是說,相變過程需要吸收或者放出熱量,水沸騰是前者。最通俗的理解,就是水在沸騰變成水蒸氣過程中,需要不斷吸收熱量(後者能量更高),加熱吸收的熱量幾乎統統轉化成了水蒸氣的能量,水自身的溫度就無法再上去了,除非全部轉化成水蒸氣,相變完成。同理,在相變未開始之前,水的溫度是可以因為加熱而不斷上升的。回過頭來,為什麼要定義冰水混合物的溫度為0度呢?其實也是這個道理,並不是定義水變冰的溫度叫零度哦。因為在冰水混合物狀態下,水變冰也罷,冰融化成水也罷,都需要付出潛熱的代價,只要在混合狀態下,相變就沒有徹底完成,所以溫度就可以維持在零度。更嚴格來說,考慮到還有氣態水,所以定義水的固液氣三相點為237.16 K,更加穩妥。
飛賊克斯和康德馬特
水的沸點是100攝氏度,這種情況成立有一個前提條件,那就是在1個標準大氣壓(即地球海平面的大氣壓)的情況下。
水的沸點並不是固定的,而是與外部環境中的氣壓有關,外部氣壓越大,水的沸點越高,反之亦然。這意味著在高壓的環境下,水的沸點完全可以超過100度。例如,在氣壓為1.4個標準大氣壓下,水的沸點將會達到110度;在氣壓為15.3個標準大氣壓下,水的沸點將會達到200度。
正因為如此,用高壓鍋煮東西,更容易煮熟,因為水在高壓鍋中能夠被加熱到更高的溫度。而在高原上煮東西,則不容易煮熟,因為高原氣壓低,水的沸點低於100度,例如,在海拔3000米的地方,水的沸點只有90度。
至於為什麼在1個標準大氣壓的環境下,水的沸點為100攝氏度,這是人為定義的。另一方面,在1個標準大氣壓的環境下,水的冰點被定義為0度。以此為基礎,我們就能表示任意物體的溫度。
另外,之所以水會存在沸點,是因為溫度一旦到達沸點,液態水分子吸收了足夠多的能量,導致它們之間的相互作用被克服,所以液態水分子會大量蒸發為氣態水分子,這是一種相變過程。
火星一號
開水燒到100攝氏度就上不去了,為什麼是100攝氏度而不是110攝氏度?主要和其定義有關!
人類最早發現溫度的概念以後,就先定義了0攝氏度,即冰水混合物的溫度就是0攝氏度。同時又定義了100攝氏度的概念——沸水的溫度為100攝氏度!其餘溫度都以這兩個溫度為基準,來進行計算,比如40攝氏度,就是把0攝氏度至100攝氏度劃分成100份,然後40攝氏度就是從0攝氏度加40份以後的溫度。
因此,溫度的概念都是一開始人類根據現實生活中得狀況定義出來的!其實在物理學中有很多物理量都不是絕對的數值,都是人類定義出來的。 比如中國古代重量的單位用的斤兩的概念,其實不僅是16進制,不是10進制。而且,其與國際單位制千克的換算,也不是1千克=2市斤。後來,清朝時候,西方列強進入中國。才將西方的國際單位制引入中國,後來為了老百姓方便才改成500克等於1市斤!