水的沸點不一定是100度,人的體液也會沸騰,你信嗎?

水的冰點為0℃,沸點為100℃。水有三態,即固態、液態、氣態。就是水在0℃以下時為固態,0℃到100℃這個範圍是液態,到了100攝氏度以上就會轉化為氣態了。

水的沸點不一定是100度,人的體液也會沸騰,你信嗎?

這只是水的一般性常識

這也是比較早時期,人們認知的物質僅有的三態。但這只是水在特定條件下的狀態,這個特定條件,就是在一個大氣壓環境下,脫離這個環境,水的相變溫度就不是這樣了。

現在,人們認識的物質已經有了七態,即除了氣態、液態、固態等三態,還增加了等離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態、電子簡併態、中子簡併態等四態。這些物態不是本文討論的話題,這裡就不展開說了。

水的沸點不一定是100度,人的體液也會沸騰,你信嗎?

現在就來說說水的三態相變條件,在不同氣壓環境下,相變溫度就會發生變化,前面的那些常識就不再是常識了。水只是在一個大氣壓條件下,0℃以下才會結冰,成為固態;0℃以上才會成為液態;而到了100℃才會蒸發成為水蒸氣,也就是液態。

脫離了一個大氣壓環境,相變溫度就會發生變化。

早在1990年1月1日開始,國際計量委員會推行採用新修訂的國際溫標,規定熱力學溫標(開氏溫標,符號K)為國際統一溫標,攝氏溫標必須與熱力學溫標對應,0K=-273。15℃,這樣過去的攝氏溫標就有了些許差異。

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嚴格說來,按照新的溫標,水的沸點在1個標準大氣壓下的準確值為99。974℃。當然,與100℃相差的這點差異,在我們日常生活中可以忽略不計。那麼,1個標準大氣壓是多少?就是101325Pa(帕),也可以稱為101。325kPa(千帕)或1013。25hPa(百帕)。

在日常生活中,人們也常把1個大氣壓稱為1公斤壓力,以此類推。

隨著氣壓的改變,水的沸點也會變化

水在不同的氣壓狀態下,沸點是不同的,一般遵循氣壓越高,沸點越高,氣壓越低,沸點越低的邏輯。為什麼說一般呢?這是因為氣壓一旦到了極高或極低狀態,水的相變就不是按照線性變化了,而會到達超臨界狀態。

在我們日常生活中,常用到高氣壓讓沸點變高的方法。如高壓鍋燉骨頭,就是透過密閉,讓鍋內壓力不斷增高,從而讓水的沸點升高,這樣就更容易更快地將骨頭燉爛。

家用壓力鍋一般最大可承受2公斤壓力,也就是兩個大氣壓,即101325Pa*2=202625Pa。在這樣的壓力下,水的沸點可達134℃;而為了保障家用安全,一般壓力鍋在使用時會保持在1個大氣壓以下,當鍋內壓力達到1個大氣壓時,水的沸點約120℃;一般家用壓力鍋的使用會在0。5~0。8個大氣壓之間,水的沸點約112~117℃。

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工業用鍋爐一般可達4~8公斤壓力,水的沸點可達150~170度,隨便漏點氣就可能傷到人,因此要十分注意鍋爐安全。

這裡還要特別指出的是,水之所以會沸騰,是基於熱脹冷縮原理。在燒水時,壺底會出現一些小氣泡,叫汽化核。隨著汽化核受熱加大,就會不斷上升,從而形成沸騰現象。而在一些並非壺底加熱的狀態下,水又比較潔淨,水裡難以產生汽化核,加熱過程雖然水溫會持續上升,但超過100℃也不沸騰。

如水在微波爐里加熱,沒有汽化核,很容易超過沸點而不沸騰,這種水叫過熱水(液體)。隨便往這種過熱水中加入一些小顆粒,或任意攪拌一下,就相當突然產生了汽化核,會形成瞬間爆沸現象。因此這裡特別提醒,剛用微波爐加熱的過熱水,儘量放置一會再動用,以免造成人身傷害。

特別高壓狀態下水的相變

如果燒水容器一再加壓,水溫會隨壓力升高,沸點也不斷線性升高嗎?答案是否定的,這就是我前面說的不一般情況了。

當壓力一再增大,到達一個臨界點,在這種壓力狀態下的水就不再沸騰了;壓力再升高到一定程度,水不但不會沸騰,還會成為固體。這就是水在壓力狀態下的相變。

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這個臨界點就是:當壓力上升到約225個大氣壓時,水的沸點達到374。3℃,氣壓再增加,水溫也不提升了,也無法沸騰了。這是因為此時的飽和蒸汽和飽和水的比重相同,兩種狀態沒有任何區別了,這種水被稱為超臨界水。

當壓力大於1~10萬個大氣壓,也就是1平方米水面有1000萬噸~1億噸的壓力時,這些水就不會再以液態存在,而是以固態存在了。但這個固態已經不是我們常見的“冰”了,而是密度更高的特殊冰。

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隨著壓力的加大,當到達1000萬個大氣壓時,水就會轉變為金屬態;壓力再大,達到4。5億個大氣壓,任何物質的分子結構都會被破壞了,原子也壓扁了,包括水,都會成為像白矮星那樣的電子簡併態物質;當壓力達到10^28個大氣壓,也就是1萬億億億個大氣壓時,任何物質,包括水,都會變成中子星的中子簡併態物質。

當然,這些都是在地球條件下無法做到的,但科學家們已經在實驗室,透過採用鐳射轟擊的辦法,在微觀層面達到相當地球核心的大氣壓力,也就是300~400萬個大氣壓強,從而得到了除自然冰以外的18種冰的形態,這些都屬於水的相變形態,因此可以說水的形態有21種之多。

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好了,以上說的都是在壓力不斷增大情況下,水會變成什麼樣子,尤其是水的沸點變化。下面我們再說說減壓狀態下水的沸點變化。

在壓力遞減的狀態下,水的沸點會越來越低

水的沸點會隨著氣壓的降低而降低,但也不是一直呈現這種線性關係,到達一個閾值,這種變化就會戛然而止。但這個臨界點是以溫度為界限的。今天就不展開說這個了。

在航空醫學上有一個阿姆斯特朗極限,是指在距地表約18900~193500米高度時,大氣壓低至6。3kPa時(約0。062個標準大氣壓),水的沸點為37℃,約與人的體溫相當。因此,這個高度是人類的禁區,在這個高度若無保護,人的體液就會沸騰。

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體液沸騰是個什麼感受呢?就是你全身的水都開了,眼淚、鼻涕、口水、汗液、血液、尿液等都會沸騰起來,氣體就更會膨脹。因此專家告誡人們,在這種環境下千萬別憋氣,否則就會導致肺泡脹裂。

在這個狀態下,首先人體內的所有氣體都會迅速往外衝,如果還沒有昏迷的話,此人就能夠聽到自己上下一切排氣的空洞,呼啦啦地往外噴氣,那種噪音可比平時的放屁大多了。眼淚鼻涕汗液面板水分會迅速昇華,如果血液尿液沸騰起來,人就會全身脹裂而死。

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好在血液等大部分體液,受到人體組織腔體的包裹加壓,這樣一下子就不會沸騰起來。但體表和結膜等鬆散結締組織的體液,還是會迅速沸騰,因此會眼球突出冒血,鼻孔嘴巴飛血等恐怖狀況,面板滲液,人體也會迅速腫脹起來。

如果不能儘快脫離這種環境,人就會很快死亡,並迅速脫水成為一具乾屍。

氣壓越低,這種現象就越嚴重。因此,宇航員們在太空執行任務,如果脫離了壓力保護暴露在真空環境,首先不是會被憋死,而是會被體液沸騰脹裂而死。

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歷史上幾個真空暴露的案例

人類高空跳傘的最高紀錄是3。9萬米高度,這個記錄由奧地利極限運動員菲利克斯·鮑姆加特納,於2012年10月15日創下,一直保持至今;而在其之前創下記錄的是美國軍官約喬·基汀格,他在1960年從31300米高度的氦氣球上跳下。

他們的跳傘高度都在阿姆斯特朗極限之上很多,因此沒有保護必死無疑。為了應對低氣壓導致的體液沸騰和缺氧,他們跳下前都穿有類似航天服的抗壓供氧服。他們的跳傘都很成功,但基汀格的那一跳出了些狀況,差點導致生命危險。

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原因就是在下落時,基汀格抗壓服的右手手套失去密封,瞬間暴露在接近真空環境。基汀格感到右手一陣劇痛,很快右手迅速腫大到有平時的兩倍。幸好腫脹的手堵住了抗壓服的漏氣,他又是以接近音速自由落體,很快到達了對流層,氣壓逐步增高,隨後開了傘,很快安全著陸。不久,他腫脹的手也恢復了常態。

1965年,NASA在航天中心的一次真空艙實驗中,一位叫Subject的艙內實驗者,身上的宇航服突然漏氣,全身暴露在極低氣壓中,僅14秒,Subject就失去了意識。工作人員發現異常後迅速給真空艙充氣,當氣壓達到海拔5000米水平時,Subject恢復了意識。他說,自己記得的最後一件事,是舌頭上的口水沸騰了。

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這些都是沒有發生惡性後果的事件,而導致無法挽回悲劇的是,發生在1971年6月30日的航天事件。這一天,前蘇聯三名完成任務的宇航員,乘坐聯盟11號宇宙飛船返回艙進入大氣層,他們根本沒想到,等待他們的是迅速死亡。

這三位宇航員分別是:指令長格奧爾基·多勃羅沃利斯基,實驗工程師維克托·帕查耶夫和飛行工程師弗拉季斯拉夫·沃爾科夫。

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他們在禮炮號空間站停留了23天又18小時多,完成了一系列觀測和實驗任務後,於6月29日下午9時,離開禮炮號返回。但在返回艙,3人都沒有穿航天服。他們在軌道上飛行了4個多小時,一邊與地面聯絡,一邊等待脫離軌道艙的時機。

6月30日1點35分,飛船按程式啟動制動火箭,降低軌道再入大氣層。這時需要按程式執行返回艙與軌道艙分離,問題就出在這裡,分離過程的爆炸螺栓本應先後引爆,但卻同時引爆了,這樣導致了返回艙的換氣閥門被震開。

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此時返回艙高度為168千米,艙內開始失壓。僅僅幾秒鐘,艙內氣壓即降到了致命的程度,他們發現了這個要命的問題,但氣閥位於帕查耶夫座椅下方,他趕緊解開自己固定帶,企圖設法堵上真空管,其他兩人由於空間太窄,眼睜睜看著卻無法擠過來幫忙,因此根本沒有辦法在30秒內關閉這個漏洞。

40秒後,返回艙的生物感測裝置就顯示出,這幾位剛才還鮮活的生命就沒有了生命跡象,僅僅40秒;212秒後,艙內氣壓降為零。

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返回程式依然自動執行,降落傘如期開啟,返回艙安然落地,但送回的是三具宇航員屍體,死因是失壓導致的體液沸騰。這次教訓除了機械故障,還有宇航員返回沒穿航天服,導致失壓後沒有保護,完全暴露。

那時的返回艙太狹小,航天服太臃腫,因此前蘇聯航天有規定,宇航員返回前必須脫掉宇航服。這次事故導致分管航天的將軍被撤職查辦,一些制度規程被更改。從此,全世界都嚴格規定,宇航員在上升時和返回時都必須穿上航天服。

水的沸點不一定是100度,人的體液也會沸騰,你信嗎?

這些故事告訴我們,在低氣壓環境,暴露是十分危險的。也詮釋了水在各種環境的性質和形態,沸點是隨氣壓環境而變得。歡迎討論,感謝閱讀。

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