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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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”。


弄潮科学


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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假如把一百立方米的水压缩成一立方米,结果会怎样?

至少在地球上是无法实现这个宏大梦想的,在我们人类的技术概念中,水还是属于不可压缩的那种物质(可以压缩一点点),比如水压机、油压机等都是用水或者油来传递压力的!但应该没有听说过气压机吧,因为气体是可压缩的,因此我们会有气动工具,或者气缸来释放与储备能量等!

假如将一百立方米压缩成一立方米,那么他的密度就是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,换算过来大约是22.6吨/立方米,各位最喜欢的金属金也只有19.32吨/立方米!

那么100吨/立方米的物质是什么呢?我们来查查地球中心物质的密度是多少的?

地核的平均密度为10.7g/立方厘米,换算一下约为10.7吨/立方米,而地球的平均密度为5.5吨/立方米!看来地球中心的物质并不是我们想要的!

木星内核的密度是多少呢?据资料查询木星内核密度和太阳核心密度差不多,是120-150吨/立方米,看来这就是我们想要找的物质了,有很多朋友认为100吨/立方米和太阳核心密度差不多,因此认为到了这个密度,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!


星辰大海路上的种花家


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!


宇宙探索


好吧,100立方米的水也就是100吨,把100吨的水压缩到1立方米那么大,密度也就是100吨一立方米,这个密度非常之大,要远远超过地球的平均密度,

地球的平均密度也才5.5吨每立方米,所以100立方米的水如果压缩到1立方米,它的密度达到了地球的18倍左右。

另外太阳中心的密度,大概为150吨1立方米,所以真要把水压缩到1立方米,它的密度也就快赶上太阳了,这个时候水已经不是水了,

它会分解成氢原子和氧原子进行核聚变,然后释放出强烈的光和热,不过在现实的生活中,水的密度几乎不可能被压缩到100吨一立方米。

当然了,虽然100吨一立方米的密度很夸张,但宇宙中还有更夸张的,例如白矮星的密度达到了1000万吨一立方米,

而中子星就更恐怖了,它的密度大概达到了1亿亿吨一立方米,至于说黑洞的密度有多大,答案是我也不知道,总之比中子星要大的多。

最后宇宙中有没有什么东西,比黑洞的密度还要大呢?答案是可能有,考虑到宇宙是从一个奇点当中诞生的,

这个奇点在没有发生大爆炸之前,它的密度被认为是无限大的,但无限大到底是多大呢,答案当然是没有答案,因为那个时候宇宙还不存在......


种植恒星


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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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。


讲科学堂


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


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。