液态水的沸点和压力有关,在标准大气压下水的沸点为100℃,如果我们升高压力,水的沸点同样会升高,比如气压达到10MPa时,水的沸点就能达到300℃,气压超过22.064MPa时,就成了超临界水。
我们知道,在高原上用普通锅烧水很难煮熟米饭,因为这时候大气压降低,水的沸点也会跟着降低,比如在海拔4000米的地方,水的沸点只有88℃,珠峰顶上水的沸点只有大约70℃,此时蒸煮食物最好能使用高压锅。
高压锅内的压强设计大约是1.5~1.8个大气压,对应水的沸点是110℃~117℃,所以用高压锅蒸煮食物更快些,因为里面温度更高。
在物理学中,晶体物质常有固态、液态和气态三种形态,我们用三相图来描述物质形态与压力之间的关系,下面是水的三相图。
从图中我们可以看出,总体上水被分为三个区域:最上方的固态区,中间的液态区,下方的气态区,三个区域的交界点叫做三相点,水的三相图点数据为:
273.16K(0.01℃),611.73Pa。
标准大气压为101.3Kpa,从水的三相图中可以看出,此时固液分界点为冰点0℃,气液交界点为沸点100℃。
随着压力的增加,在50Mpa(500个大气压)以下,水的冰点温度变化不大,但是水的沸点在明显升高,比如:
(1)0.15Mpa时,水的沸点有111℃;
(2)1Mpa时,水的沸点有180℃;
(3)5Mpa时,水的沸点有264℃;
(4)10Mpa时,水的沸点有311℃;
(5)20Mpa时,水的沸点有366℃。
在火力发电厂,需要把水在高压下加热蒸发,然后蒸汽再推动汽轮机做功,对于亚临界机组来说,汽包内的压力高达16~19MPa,内部沸腾的水温度就在300℃以上。
随着压力的升高,水的气态和液态差距越来越小,直到达到超临界点(647K,22.064MPa)后,两者再也无法区分,此时固态区除外的水统称为超临界水,比如火力发电厂的超临界机组,主蒸汽压力高达25MPa,温度能达到500摄氏度以上。
而在5000米深的海底火山口,压力高达近50MPa(500个大气压),此时靠近火山口的水就是超临界水,水温高达450摄氏度。
但是水的温度并不是没有上限的,当温度高到一定程度后,水分子中的化学键将断裂,形成氢原子和氧原子的等离子态,此时的物质本质上已经不能称作水了。