大家好,我是魅力科學(xué)君,今天我們來討論一個很有意思的問題:1萬米的深海里,用一個鋼瓶裝滿水后密封起來,撈上來后瓶內(nèi)還有高壓嗎?
首先來講,深海里的水壓是非常強(qiáng)的,因?yàn)楹K纳疃让吭黾?0米,水壓就會增加大約一個大氣壓,這樣算下來,1萬米深海里的水壓,就有大約1000個大氣壓,大概相當(dāng)于100MPa(10^8 Pa)。
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這是什么概念呢?這樣說吧,將1噸的重量全部壓在你的指甲蓋那么小的面積上,其產(chǎn)生的壓強(qiáng)大概就是100MPa。
所以我們不難想象,如果把一個封閉的空鋼瓶置入如此高壓的環(huán)境中,那它很可能就會被直接壓扁,也就無法裝滿水了,如何解決這個問題呢?
一個可行的方法就是,讓這個鋼瓶在潛入深海的全過程中,始終保持其瓶口是向上方敞開的,能夠讓海水自由地流入瓶內(nèi)。
正如我們所知,水壓會通過海水向各個方向均勻地傳遞,因此在此過程中,鋼瓶內(nèi)外兩側(cè)的水壓就一直是相等的,如此一來,鋼瓶本身就不會單向受壓,自然就能“毫發(fā)無傷”地抵達(dá)1萬米的深海了。
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好的,現(xiàn)在這個鋼瓶已經(jīng)來到了1萬米的深海里,并且其中已經(jīng)裝滿了水,那么請問,當(dāng)我們把其密封起來之后,瓶內(nèi)還有高壓嗎?
對于這個問題,可能有人會說,在被密封之后,由于鋼瓶內(nèi)外已經(jīng)被隔離起來,因此瓶外的水壓就不可能通過海水傳遞到瓶內(nèi),在這種情況下,瓶內(nèi)就應(yīng)該沒有高壓了。
然而實(shí)際情況卻并非如此。因?yàn)檫@種說法其實(shí)隱含了一個前提,即“水是不可壓縮的”,但它并不準(zhǔn)確。
所謂“水不可壓縮”,其實(shí)是一個為了方便我們理解日常世界而做出的簡化,但事實(shí)上,水是可以被壓縮的,根據(jù)科學(xué)家的測算,在常壓環(huán)境中,水的壓縮系數(shù)約為4.6×10^-10 Pa^-1,也就是說,每增加1Pa的壓強(qiáng),水的體積會縮小大約0.000000046%。
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可以看到,這個數(shù)值非常非常小,在日常生活中,這完全可以忽略不計,然而對于1萬米的深海里的壓力環(huán)境來講,這就不可忽略了,簡單計算一下可知,100MPa的壓強(qiáng),可以讓水的體積縮小大約4.6%。
由于水分子是極性分子,其正負(fù)電荷中心并不重合,因此水分子之間就會同時存在吸引力與排斥力,這兩種力本質(zhì)上都是電磁力,具體的相互作用取決于水分子之間的距離。
簡單來講就是,水分子會強(qiáng)烈傾向于一個能使它們之間的吸引力與排斥力平衡的距離,在一定的范圍內(nèi),如果它們之間的距離大于這個平衡距離,它們之間就會表現(xiàn)為吸引力,如果距離小于平衡距離,它們之間就會表現(xiàn)為排斥力,并且距離越小,排斥力越大(如下圖所示)。
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正如前面所述,在1萬米的深海里,水的體積會縮小大約4.6%(相對于常壓),這會就讓水分子間的距離縮短了很多(相對于常壓),在這種情況下,水分子之間就會存在很強(qiáng)的排斥力。
對于這個裝滿水的鋼瓶來講,在它未被密封之前,其內(nèi)部的這種分子斥力是由外部的水壓來平衡的,但當(dāng)鋼瓶被密封后,內(nèi)部的水就被“鎖定”在壓縮狀態(tài)中。
此時,原本由外部水壓平衡的分子斥力就失去了“對手”,在這種情況下,分子斥力就會直接施加在鋼瓶內(nèi)壁上,進(jìn)而形成由內(nèi)而外的、大小與外部的水壓相等的壓力(大約100MPa)。
也就是說,當(dāng)我們用鋼瓶在1萬米深海裝滿水后密封起來之后,瓶內(nèi)其實(shí)是存在著高壓的,而由于其壓力并不是來自外部水壓,而是來自瓶內(nèi)的分子斥力,因此把它撈上來后瓶內(nèi)當(dāng)然還有高壓。
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那么,這個鋼瓶被撈上來之后,瓶內(nèi)的壓力有多大呢?我們接著看。
在1萬米的深海里,這個鋼瓶內(nèi)部存在著由內(nèi)而外的壓力,但其外部同樣有相等大小的水壓對其進(jìn)行“壓制”,兩者之間的平衡,就使得鋼瓶就不會發(fā)生形變,但被撈上來之后,外部的強(qiáng)大水壓消失了,而鋼瓶內(nèi)部的壓力依然存在。
如此一來,就相當(dāng)于形成了單向受壓(相比之下,水面上的大氣壓可以忽略不計),由于世界上不存在絕對剛體,我們的鋼瓶當(dāng)然也不是,因此在這種情況下,鋼瓶就會發(fā)生形變,通俗點(diǎn)講就是:它會被撐大一點(diǎn)。
這個“撐大一點(diǎn)”,就讓鋼瓶的容積發(fā)生了少量的擴(kuò)張,于是瓶子里的水分子就獲得了一點(diǎn)寶貴的額外空間,它們之間的距離得以稍微拉遠(yuǎn)一點(diǎn),而根據(jù)我們前面所說的原理,它們之間的距離一旦增加,瓶內(nèi)的壓力就會隨之減小。
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于是,一個新的平衡就此達(dá)成:鋼瓶內(nèi)部的壓力,在把鋼瓶撐大了一點(diǎn)之后,降低到了一個新數(shù)值,具體是多少呢?
實(shí)際上,這個數(shù)值,主要取決于鋼瓶本身的材質(zhì)以及瓶壁的厚度。總的來講,鋼瓶的材質(zhì)越“硬”,瓶壁越厚,其形變的程度就越低,內(nèi)部的壓力也就越高。對于高強(qiáng)度合金鋼瓶來講,雖然其最終的壓力值會明顯低于100Mpa,但依然是一個非常可觀的高壓值,一般都可以達(dá)到數(shù)百個大氣壓。
當(dāng)然了,這需要有一個前提,那就是這個鋼瓶的結(jié)構(gòu)足夠緊固,不然的話,在被撈上來的過程中,它就會因?yàn)槌惺懿涣似鋬?nèi)部的高壓而破裂……
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