03.08 从万米深海里,装水后密封,捞上来还有巨大水压吗?

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万米深处,将水装入容器后密封。打捞上来之后,容器内仍然存在着巨大的水压。


1、理论计算

水压公式:p=ρgh。其中,p为压强,ρ为海水密度,g为重力加速度,h为水深。忽略海水密度的变化,忽略重力加速度的变化。那么万米水深的压强约100MPa。

1万米深处,水压是处处相等,各方向相等的,都是100MPa,如上图所示。假设有半径10cm的球形容器,将万米深处的水装入该容器。那么此时,容器内外都受到了100MPa的水压。

2、容器压力计算(海水压缩在第三小节)

这题的重点在于液体,不过为了说明问题,容器也需要一并计算。球形容器为钢,半径10cm,厚度2cm。

2.1、深海位置

此时,容器内部产生的应力是处处相等的,相关计算可参考我之前的回答。这里,只放出位移结果,容器在内外水压的压迫下,产生了图示的位移。外侧位移最大,有1.7e-5m。放出此图的原因在于强调固体的可压缩性。

2.2、海平面位置

此时,容器内外压差不一样。内层由于密封性,仍然是100MPa,外层则是一个大气压0.1MPa。内外压差不一样的情况下,容器的应力位移如下图。最大等效应力270MPa,最大位移6e-5m。

3、海水的压缩

3.1、理论计算

海底的水受到上面的水的全方位的压迫,体积会有相应的减小。利用容器密封海底的水后,内部海水体积相当于固定了。分析水的时候,视容器为刚体。

流体分为可压缩和不可压缩,但是实际上不存在不可压缩的物体。当外载较小,流体自身的压缩量又较小时,我们可以认为这个流体不可压缩。但是,某些特殊情况下,比如本问题,流体的可压缩性就必须要考虑了。

假设海水不流动,那么三向压缩的海水与固体的压缩并无太大差别。已知水的体积模量为2.2e9,即水体缩小单位体积需要的压强。对于水而言,压缩1m3的体积需要2200MPa的压强。通过这个数据,我们可以得到在100MPa的压强下,体积变小4.55%。

3.2、数值估算

为了核对这个数据,利用有限元尝试计算一下。三向压缩限制了水的流动,将水视为固体,由体积模量与弹性模量的关系,可以得到“水”的弹性模量约3960MPa,泊松比取0.2。实际上,液态的弹性模量、泊松比并没有什么意义。但是,作为一个非正式计算,提供下参考。

取球形水体,半径0.1m,外压100MPa,有限元位移结果如上图,最大位移压缩了1.5e-3m。即压缩后的半径为0.0985m,体积减小了4.43%,与上面的结果基本一致。


4、总结

万米深处存在着约100MPa的水压,在这个压力下,水本体也会被压缩一定的体积。本文用两种方法计算了水受压后的体积变化,我们发现水体在100MPa的压强下,两者的计算结果基本一致:即在万米深处,水体会把压缩4.5%左右的体积。

压缩后的水体,被容器密封后,将会保持这个体积,从而维持住深海的水压。


力学Nerd王小胖


从万米深海里,装水后密封,捞上来还有巨大水压吗?

这个话题容易的答案容易两极分化,因为我们所学习的知识告诉我们水是不可压缩的,因此在万米还是十万米深,水只是一种传递其本身压强的介质!但另一部分朋友则认为水的分子间隙会被压缩,因此仍然会存在巨大的压力!

马里亚纳海沟最深处达到了11034M,按10M一个大气压简单计算,将有超过1100个大气压,按道理来说在如此深的海底封装一瓶水,那么其到达海面后将承受1100个大气压的内压....将直接爆裂,会这样吗?

理由一、水不可压缩 原因也很简单是因为水分子的间隙临界尺寸范围极小,一旦小于这个尺寸分子间的相互斥力会大于其引力,压缩则就是跟斥力对抗!因此几乎难以被压缩!问题的关键来了,是难以被压缩,但仍然能压缩一点点,据估算在200个大气压下,水的体积将能缩小1%,当然这差不多已经是极限了,再加大压力效果不明显了!

因此这个条件下,水不可压缩是从宏观意义上来看的,但仍然能压缩一点点,因此有液压机也有水压机,但只有气动工具,气压机只能用来当千斤顶或者避震了哈,因为空气的压缩性相当于弹簧!

理由二、水里有杂质 比如溶解氧等,在万米深的水下溶解氧应该很低,但气体在高压环境下的压缩特性也将成为压力保持的一种手段!

浙大深海序列保压采样器

蛟龙号深海采用保存工具

从以上两个理由来看,尽管无法保持1100个大气压,但仍然是有压力的,而且压力还不小,因此深海保压采样的设备仍然需要高强度材料!


星辰大海路上的种花家


由于海水被密封,因此捞上来后仍具有巨大的压力,这个压强已经超过水的临界压力,这时水有很多有趣的性质呢?

一万米水深的压强有多大?

通过初中物理知识我们可以求出大海中某一位置压强的大小,海水中某一处压强P=ρgh,ρ为海水密度,约是1.03×10^3kg/m^3,g为重力加速度,约是9.8N/kg,h为海水深度,位于太平洋的马里亚纳海沟是世界上最深的海沟,这也是地球上最深的地方,最深处为-11,034米。

这里的压强P=ρgh=1.03×10^3kg/m^3×9.8N/kg×11,034=111377kPa,即111.377MPa。这是个非常可怕的压力。

图释:我国蛟龙号,载人深潜7062米创世界记录

如果在万米水深的马里亚纳海沟将海水密封,如果容器具有足够的机械强度,密封性够好,即使捞上来依然可以保持住这个压力。

111.377MPa的压力是非常大的,核电站大型反应堆正常运行时水压才是15兆帕到16兆帕之间,如下图所示水的临界点为A点,此点处压力为22.129MPa,温度374.15℃,111.377MPa的压力已经远远超过了水的临界压力。

图释:水的三相图

不会沸腾、腐蚀性强的流体

111.377MPa的压力下的水,无论怎么加热都不会沸腾,如果温度超过临界温度374.15℃后,水会变成超临界流体,这种状态下水的液态和气态没有区别,水还表现出很强的氧化性,腐蚀性也极强,堪比王水,可将黄金溶解,好在溶解过程较慢,不然是任何容器都无法包容的。

图释:前苏联潜艇K-278,潜艇下潜最深记录创造者,下潜1250m

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核先生科普


从万米深海里,装水后密封,捞上来还有巨大水压吗?

为了方便讨论,根据题目我们可以来假设一下,假如我们把万米深海的海水,用一个钢瓶密封起来,那么当这个钢瓶被捞上来时,瓶内还有巨大水压吗?

一般来讲,我们都会认为水是不可压缩的,它的体积不会随压力的大小而发生改变,1万米的深海里,水只是充当传递深海压力的介质,因此可以认为,将钢瓶捞上来时,钢瓶内并没有高压存在。

然而这是错误的看法,事实上水是可以压缩的,数据显示,在常温下水的压缩系数约为 4.74 x 10^-10 平方米/牛顿,因为这是一个非常小的数字,所以在绝大多数情况下都可以将其忽略不计,而我们普遍认为水不可压缩,其原因就在于此。

1万米的深海里,其水压高达100MPa,在如此高压下,水的压缩系数就不能忽略不计了,通过简单的计算我们可以得出,在这里水的体积会被压缩大约4.74%,这是一个相当大的比例。既然水是可以压缩的,那么情况就变得有些复杂了,下面我们来分析一下。

简单思考一下,在1万米的深海里,用钢瓶装满水后密封,密封后的钢瓶会被压瘪吗?很明显,钢瓶是不会发生任何变化的。这就说明了钢瓶的内外都受到了同样大小的力,现在问题就来了,钢瓶密封后,其内部就不再具有外部的水压,那么在钢瓶的内部,是什么力在与钢瓶外部的水压抗衡的呢?答案就是水分子之间的分子作用力。

需要指出的是,分子作用力的本质是电磁力,既然是电磁力,那么分子作用力就会表现出同种电荷相斥,异种电荷相吸的特性,而因为水分子是极性分子(正负电荷的中心不重合的分子),所以在水分子之间既有吸引力,也有排斥力,其具体变化如下图所示。

图中的横坐标 r 代表水分子间的当前距离,r0 代表水分子间的标准距离,我们可以看到当水分子间的距离小于 r0 时,它们之间的分子作用力表现为斥力,而且距离越近,斥力越大。

前面已经提到水是可以压缩的,因此在1万米的深海里的水分子之间的距离,会比水分子间的标准距离小一些,这时水的分子作用力就表现为斥力,它阻止了水被进一步压缩,同时又试图将水分子之间的距离扩张到标准距离。

在钢瓶装满水后未被密封时,水的分子作用力是由水压来平衡的,而当我们将钢瓶密封后,由于钢瓶的内部不再具有水压,水的分子作用力就直接作用在钢瓶内部的瓶壁上了。在这种情况下,因为水的分子作用力的强度是与水压相等的,所以钢瓶也就不会被压瘪了。

我们也可以看到,钢瓶被密封后,作用于钢瓶内外的力就失去了联系,这就意味着,从钢瓶被密封的那一刻起,钢瓶内部的压力大小就与外部的水压完全没有了关系。那这是不是说明,当我们把这个钢瓶捞上来时瓶内依然是高压呢?

当钢瓶捞上来后(不考虑其中过程),其外部所受的水压也就没有了,钢瓶只受到来自内部的分子作用力。我们已经知道,虽然这个力非常大,但是它的目的只是将水分子之间的距离扩张到标准距离,而且会随着分子间距离的增加而减小,也就是说,在这种情况下,只需要钢瓶发生很小的形变(大约是小于或等于其体积的4.74%),就可以减小甚至是完全释放出其内部的压力了。

就像气球一样,在弹性限度内,几乎所有的物体都会随着应力的大小而发生应变,在材料力学中,我们把应力与应变的比值,称之为“杨氏模量”,它是标志材料刚性的一种指标,一个物体的杨氏模量越大,就越不容易发生形变。

有了以上的认识,现在我们就可以给出这个问题的答案了,在1万米的深海里,用钢瓶装满水后密封,捞上来时瓶内的压力是与这个钢瓶的材料密切相关的,总的来讲,钢瓶材料的杨氏模量越大,瓶内的压力就越高,而假如这个钢瓶材料的杨氏模量是无穷大(绝对刚体),那么这个钢瓶内就保持了1万米深海里的高压。


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魅力科学君


万米深海虽然压力巨大,但是从那里装出来的水捞上来后却没有什么压力了。

水的压力和深度有关,深度越深压力越大,其压力公式:

P=pgh

p是海水的密度,h是海水的深度,所以从这个公式可以得到每10米深水合一个大气压,那么1万米深的水,就是1000个大气压,即100兆帕。这么大的气压据说连坦克都可以压扁,但是压力虽然大,却无法压缩海水。海水分子之间的空隙已经无法再进行压缩,而原子之间更是不可能被压缩,除非是像太阳内核那样巨大的压力才有可能把原子都“压碎”挤在一起。



所以,即便我们从深海密封一部分海水出来,海水也没有什么压力。就像是我们从深海中捞出来一块石头,石头也不会爆炸一样,因为没压力。


科学探秘频道


答:如果你在海底装满水,并密封在强度足够的容器内;那么打捞上来后,里面当然还是高压!比如深海潜水时的减压病,就是人体回到常压时,体内溶解的氮气突然降压,然后产生气泡导致气栓引起的。


深海压力

我们知道,随着大海深度的增加,压力也是不断增加的,而且深度和压强成正比,既p=ρgh;一个大气压等于1.01325×10^5Pa,相当于10.3米的水柱压力。

世界上最深的地方是马里亚纳海沟,有11034米,这里的水压高达1071个大气压(108.5兆帕),这是非常高的压力;要知道,对于超超临界的火电厂锅炉里面,也就只达到30多兆帕。


这么大的压力,是很难有容器能够承受的,如果我们在海底用密封的金属盒子,装满水之后带回海面,如果盒子不变形,那么内部的压力当然还是1000多个大气压,和液压装置里面的高压强没区别。

简单计算一下,如果我们的正方形盒子长宽高均是10cm,那么每个面将承受108吨的重量,相当于十多俩大客车的重量,压在一个0.01平方米的面积上,几乎没有任何常规物质能够保证不变形。

而人类制造的深海潜水器,可以下沉到1万米的海底,因为潜水器采用了多层承压设计,使得各层之间压强差缩小,就不会对内部造成损害,这也是深海鱼不会被压扁的原因。


减压病

而深海潜水常遇到的减压病,就是人体在潜水时,吸入的气体也是经过加压的,这些气体溶解在人体内部,以此平衡人体内外的压强。

当潜水完成后,如果立马游回海面,那么身体内部的气体(尤其是氮气),会因为突然减压在体内产生气泡,从而引起栓塞,严重的会导致减压性骨坏死,甚至危及生命。

对于每一个深度的潜水,都有一个免减压时间,超过免减压时间后就有可能造成减压病,需要在浮出水面时进行严格的减压操作;比如5米深时,大概有3小时的免减压时间;30米深时,只有几分钟的免减压时间。


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艾伯史密斯


哎呀,力取决水体最终形变情况(对于液体一般就是体积变化情况V),具体来说总体三种情况。如果你的容器是刚体(无弹性),那么当你在10000处水中密封完成后水压就没了,海水压力由刚体承受,将刚体由牵引绳(假设有这根绳)提出的过程,刚体收到的水压递减只至外部压力降低至当地大气压。如果你的容器是具有弹性的且在1万米水压下无塑性应变,那么在1万米处完全封闭后(内部水充满),容器外部收到1万米水压发生形变,容器压力部分传递到内部水体,水体收到一定压力,当容器逐渐被提出水面,容器外部压力逐渐递减,形状恢复,从而内部水体压力逐渐递减,直至容器外部压力恢复到大气压,内部充满的水体作为一个整体仅仅收到重力和外部传递进来的气压(除去容器作为结构承担的部分)。如果你的容器在1万米水压下发生不可恢复的塑性应变,那么当提出水面后,容器最终无法恢复的形变造成的水体收到挤压,水体作为整体还收到一部分的压力,如果极端情况容器在1万米处发生的塑性形变完全没有回复,除去容器作为结构承担的部分压力,其余绝大部分在1万米处传递给水体的压力会继续保持在水体上。


智慧攻城狮


当然有水压,体现在密闭容器在捞上来之后,它的体积会增大,至于增大多少,视容器材料而定。(因为内部有巨大压力,而容器并非刚体,因此体积会变化,在体积变化后,内部的水压就减弱了)

这道问题的关键在于水可以被压缩吗?

在中学时期,我们将水视为是不可压缩的,但实际情况却是这世界上根本不存在刚体,也就是物质都是可被压缩的(形变)。但由于水的抗压能力很强(体积模量很大),因此我们一般将水的体积变化忽略不计。

由此可知,水是可以被压缩的,并且随着深度的变化,越往底的海水,其压缩的程度就越大(导致这个结果的原因是地球引力,即便如此,但对于地球上海洋深度而言,压缩还是很微小的),也就是水的密度上升了。而密度的上升,意味着在同样体积单元下,包含的水分子数量变多了,很显然分子间的作用力也产生了变化,斥力占据上峰。

当我们将一个敞开口的容器送入万米深海时,由于容器并不是密封着下去的,因此水压只会造成容器壁的压缩,但整体形状应该不会太大改变;此时我们将容器合上密封,很显然,由于内外压强一只,容器还是保持原样。

但当我们将容器捞上来后,假设这个捞取过程非常快,原先由外部水压帮助容器壁一起去对抗内部水分子斥力的,现在外部压强突然减弱,容器的内外平衡自然就被打破了,那么打破了的后果体现在哪呢?就是容器的形变,借由容器体积的增大,使得内部压力减弱。

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赛先生科普


你好好看看初中物理,水压是p=ρgh,F=ps在万米深的水里压力大是因为压强大,作用在一定面积上的压力才大,你把水装在容器中就相当于隔绝了水的压力,这时水的压力只跟容器的高度有关,也就是h是容器的高度。就算你不从万米水中拿出,这时候容器里的压力也不大,没拿出来时容器的外壳压力还是万米以下的压力,因为里面水的密度比水面的水的密度大能承受的压力也大,所以容器不会压坏,也就是内外压力是一样的,而这个压力不是里面的水产生的,而是外面的水产生的,里面的水有个相互作用的力而且大小相等,等拿出水面外界的压力减小了,里面的压力自然就是容器中水的压力,不再是万米的压力。从分子间隙的角度来说万米以下时水分子间隙小一些,到水面时间隙大一些。


独独客


回答这个问题需要作几个假设,才能一步一步回答:

1. 容器材料的耐压性

一个敞开的容器放到深水处,虽然容器内和容器外液体的压强是相等的,但是两边的水同时对容器壁的压强却非常大,如果是玻璃容器,相当于同时对一块玻璃两侧施加非常大的压强,玻璃一定会碎裂。因此容器的材料必须有非常高的强度。

2. 容器密封后内部的水压

如果容器有足够的强度,水下密封以后,内部的水压的压强就是深水区的水压,压强非常大。

3. 密封拿到水上的容器的内部压力,取决于容器是不是刚性

如果容器是刚性材料,不会发生形变,拿到岸上,那么容器中的压力依然是深水中的高压。虽然水的可压缩性很小,但是就是因为这一点点体积的变化产生了巨大的压力。

如果容器材料是完全刚性的,又不够强度,那么拿到岸上容器就会碎裂。

假设容器是可以变形的,那就只需要一点点形变(体积增大)就可以释放水压。

总之,这个问题问得很好。

潜水艇和深海探测船下潜的深度是不一样的,后者因为体积小,制造小型的耐压容器更容易,所以下潜深度更深。


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