相信很多朋友都是老司机了,车辆进水后千万不要点火发动,因为气缸内可能会进水,曲轴会通过连杆推动活塞压缩进入气缸内的水,但水是不可压缩的,因此气缸、活塞、连杆和曲轴肯定有一个会损坏,一般是连杆居多!
连杆断裂,敲破缸体,轻则发动机大修,重则报废!这就是试图压缩水的后果,但世界万物都不是那么绝对,如果施加以无穷大的压力,从理论层面上来看水是否真的可以被压缩?
从水分子结构层面上来看,水的可压缩程度
空气是我们最常见的可压缩物质,比如空压机就是干这个用的,当然我们还能看到二氧化碳气罐,也能看到氧气罐甚至煤气罐,空气能被压缩是因为分子间隙非常大,比如氧气在室温下分子间距大约为3纳米,而氧分子的直径大约为0.3纳米,从理论上来看,如果将氧气压缩到分子挨个排列的话,大约可以压缩1000倍,也就是1000个大气压,当然这个基本不太可能,一般的氧气瓶大气压也就150个左右!
跟气体相比,液体和固体的分子间距就小多了,但并不是说没有,它仍然具有一定的间隙。
相对而言固体分子的间隙比液体分子之间的间距要小一些,但对于我们一般的压缩而言,液体和固体都是不属于可压缩的物质,但由于液体的流动性,因此我们会用液体中的水或者油类用作传递力的介质,比如万吨水压机或者油压机。
水有一种奇怪的特性,即温度高和温度低水的体积都会膨胀,只有在3.98℃时的体积是最小的!这是水分子的氢键在其作用,结冰后分子之间的连接会形成规则的六边形结构,因此体积反而会变大!而水分子之间的连接不能形成共价化学键,因此水分子的分子间距会远大于水分子原子间化学键的距离,这个距离我们在分子级别上压缩水的机会!
但我们一般意义上的压缩都不会大幅减小水的体积,因为这需要极大的压力,比如在100MPa的压力下水的体积才会减少4%,也就是1000个大气压左右,比如在马里亚纳海沟底部的压力大约就是1100个大气压,因此在这个深度的水密度要比海平面上的海水大约要高4%左右!
从原子的角度来看看水的可压缩程度
不存在水原子,因为到了原子这个层面,水分子式H2O都会被解离,事实上也很简单,因为压缩会伴随着超高温出现,当温度升高到2000-3000℃时,这个能量超过了水分子结合的键能,因此水被解离成了氢和氧!
有朋友认为继续压缩,氢原子的电子会被压入原子核与与质子中和成中子,其实这个结果最终确实会发生,但事实上会先经历另一个过程,因为继续压缩下的超高温会导致氢原子的电子会游离,而原子核靠的比较近,形成一种金属氢的怪异物质,因为存在自由电子,它是会导电的!
假如压力继续增大,原子核靠的更近,假如这种氢是轻水,即解离后是H2(氕),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,这就是氕的质子链反应第一步!
1H+1H→2D+e(+)+v,ΔE=1.442MeV,Q(v)=0.265MeV ;
上述就是氕氕的聚变反应!
如果这种水中含有重水,那么解离后的氢原子就是D2,也就是氘,请勿小看这个氘,因为它的存在会让聚变的条件更容易发生!而且产生的能量会更大!
2D+1H→3He+γ,ΔE=5.494MeV;
氘有一个中子和一个质子,它与氧结合会形成重水,在自然界中的比例小于万分之二!
如果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
只要无限施加压力,这就是物质转变的过程,最终这个无限压缩的水将会变成铁,因为镍-56会衰变回铁,铁以后再无限压缩,那么它将进入另一个阶段!
从原子核层面看压缩
到了铁之后的压缩就像超新星爆发的恒星铁核坍缩一样,唯一不同的是这是压缩而不是超新星爆发,但坍缩过程几乎一样。继续压缩出现的变化:
电子会被压缩到原子核周围,形成电子简并态物质
这是电子简并力提供的一种支撑力,它并不属于四大作用力,而是费米子不能处于同一个能级,它会阻止继续压缩而成为电子兼并态物质。
电子会被压入原子核,与质子中和成中子,形成中子简并态物质。
继续施压会形成夸克简并态,直至夸克简并态也也无法支撑最终坍缩成没有直径的黑洞
以上是对水无限施压的一系列后果,这个过程从水开始,会历经各种元素到铁,然后成为电子简并态物质,中子简并态,夸克简并态最终成为黑洞,可能宇宙中每天都在发生这样的过程,但地球上是不可能达到这个条件的,因此我们只能从科学角度上做个分析!