03.06 假如把一百立方米的水压缩成一立方米,结果会怎样?为什么?

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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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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。

海水的密度为1.03,在万米深海中达到1000多个大大气压,密度并没有多大改变。因为水的密度与水温关系更大,摄氏4度时,水密度是最大的,所以深海的水有时还没有浅海密度大。

要把水压缩到百分之一将导致水分子的分解,地球上没有这么大的压力,人类也无法制造出这么大的压力,因此水永远也无法压缩到百分之一体积。

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。

这个1就是代表1立方厘米的水为1克,1立方厘米就是1毫升。1立方米的水为100万毫升,就是100万克,1吨重。所以我们在买液体物质时常常用升(L)来衡量,1升就是1000毫升,一瓶酒500毫升,也就相当500克,就是1斤。当然乙醇的密度为0.789,我们平时喝的白酒里面含有百分之几十的乙醇,因此500毫升就没有1斤。

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。

随着不断的加压,水会有如下表现:

当水在100个大气压时,液态水会处于冰冻状态;压力增至3445个大气压时,同时温度降低到-100度(摄氏度,后同),会形成高压冰,分子间距缩小;高压冰随着压力增加,会达到六方晶体,水分子间隙越来越小,密度增加。

但这种密度增加是很微弱的,因此体积缩小不了多少,一般可以忽略不计。

这时如果再增加压力,几百万到上亿压力,这种变化也很微弱,一直到水分子化学键断裂压碎,氢分子、氧分子也被压碎,氢原子和氧原子成为游离态,甚至核外电子逃离成为自由电子,核聚变可能会被激发。

但这时,水早就不是水了,而是氢原子和氧原子的混合气体了,这种气体在高压下很可能是一种原子汤稠密半流体状态。有人认为这个压力极限在几十亿个大气压。

人类在制造金属氢时达到了325万个大气压,这是迄今为止人类能够达到的最高压力,因此上述水在几百万以上高压下的表现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。

水的压缩状态会有一个质变过程,在压力临界点之前,体积变化很小,一旦突破了这个临界点,水就不是水了,状态和体积都会发生剧变。但如果一定要说压缩100倍后是个什么状态,只能说这个物质从过去每立方米1吨的水变成了100吨,这个密度在宇宙天体中根本算不了什么。

当我们太阳的末日,变成白矮星的时候,这个密度就比这个大多了,还要增加10万倍以上。100立方米水压成1个立方米,只不过压缩了100倍,1个立方米水由过去的1吨变成了100吨,1个立方厘米密度才有100克重,而白矮星上的物质1个立方厘米却有1~10吨重。中子星上物质的密度1个立方厘米有10~20亿吨重。

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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。


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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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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。




科学黑洞


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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科学探秘007


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。


科学认识论


水不可被压缩。无须附加什么样的条件,就是这唯一的答案。主要的原因是,被压缩了的水,一定已经不再是水了。

日常状态下的固体也罢,液体也好,基本上都是不可压缩的,因为组成它们的原子或者分子之间的电磁排斥力是巨大的,也就意味着原子分子之间的空间基本上是不会被压缩的。这一点,是凝聚态物质(液体与固体)与非凝聚态物质(比如说气体)之间显著的区别。以物理方法压缩液态水并带来其体积变化的具体效果也是我们已经知晓的,比如,降温,大家都知道摄氏零上4度的水是其密度最大即同等质量下体积最小的,此时加热或者降温都会导致其体积的变化,这时候,物理学家或者工程师们如果设法阻挡其体积的变化——这个变化的程度大致在每度万分之2.5左右,即一顿水一立方米,每提高一摄氏度体积就会膨胀250毫升,半斤白酒的体积😄——盛装水的容器一般情况下会毫无意外的被撑破!不用加热或降温的方法,直接施加压力,把一立方左右的水压缩250毫升?不好意思,我没有经过实验室试过,但可以想象其难度之巨大。

好,不必拘泥于实验室的条件,设想恒星级别的万有引力环境,水的被压缩成为了很容易的事情,但正如开头所说,那样首先就改变了水的分子结构,甚至是氢原子和氧原子的原子结构,水,已然不再是水了。


郭城3点14壹伍玖


水的化学式是H2O,一个氢分子链接一个氧原子,夹角大约是104.5°。结构如下所示:

水分子中,氢和氧通过共价键相连,而水分子之间通过氢键组成网络结构,形成宏观上的水。水分子的体积大概是3*10^-29m3,正常情况下1m3水可以装下1吨水。

如果把100万立方米水压缩成1立方米,则必须压缩分子见的氢键以及原子间的化学键,才可以缩小水分子体积,像中演的那样缩小物质。而缩小分子间的氢键以及化学键,现今的技术根本不可能做到。如果强力压缩分子间距离,会使分子紧密排列,原子挨着原子。由于氢键距离很小,只有0.1-0.4纳米长,所以小倍率压缩可以,大倍率的即便再缩小也小不到那里去。唯一的方式就是把原子的电子壳层“压碎”,形成共享的电子,缩小原子空间。因为原子中99%的空间都是空的。只是这样,形成的就是类似于白矮星的东西了。



如果是100立方米缩小为1立方米,密度是100t/m3,体积缩小100倍。水分子和原子之间“挤一挤”就可以了,还是水。但是如果是100万立方米水压缩为1立方米,则密度会变成1*10^6t/m3,刚好处于白矮星的密度范围内,成了白矮星了,成了名副其实的“重水”了。


科学探秘频道


都知道如果液体变成固体,体积会缩小。而水是特殊物质,液态水结成固态冰反而会膨胀。



那可否压缩水呢?吧100立方米的水压缩成1立方米会怎样?

在理论上,水可以压缩,但现在的技术却做不到。

因为如果把100立方米的水压缩成1立方米的水,就已经不是水了。压成的物质与白矮星上的物质密度差不多了。


一般物质的化学键是很难破坏的,而水的两个氢原子有一定夹角。要改变分子间的距离,就要改变这个夹角。目前的科技还没有达到既能破坏它的化学键,又能保持水的特性。

但可以搞定原子上的电子,把原子上的电子壳敲破,形成共同享有电子,缩小共有空间。就是把100立方米的水压缩成1立方米后的密度。这样就成为了白矮星的标准。

由此,100立方米的水压缩成1立方米,它已经成为了白矮星,成为了名副其实的“重水”。


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