压缩水会不会变成冰,水压缩后会变成什么

首先答复问题中的问号。至于这么解答的原因,放在后面。

压缩水会不会变成冰?不一定。

相同量的液体水变成冰,体积会增大?不一定。

固态冰的体积比水的体积大?不一定。

是不是悖论?不是悖论。原因在于,

①水分子中有两个氢原子一个氧原子,它们不是对称排列的,两个O-H键之间的夹角为104.5°,因此水分子具有很强的极性。一个大气压下,水从沸点附近的温度降到4℃附近的过程中,遵循热胀冷缩规律;到达4℃附近后,一个大气压下的水发生相变,也就是具有强烈极性的水分子开始有序排列,而有序排列后的整个水的体积大于无序排列时的体积(这种有序排列体积大于无序排列时体积的现象,在其它物质中出现不多)。因此,在一个大气压下(或者在一个大气压左右的压力下),水在4℃附近时的密度最大,体积最小。这就是在前面的解答中,所说的即使固定在一个大气压条件下,也不能笼统地讲,水究竟是热胀冷缩,还是热缩冷涨的原因。

②年青人之所以在上出现困惑,是因为在观察液态水变成固态冰的体积膨胀时,只考虑了温度因素,没有考虑压力因素;而分析压缩液态水时,又倒了过来,考虑了压力因素,没有考虑温度因素。

③实际上,水的气态、液态、固态之间存在着一个三相点。参照下面的平面坐标图,图中的X轴刻度是温度,单位是摄氏度;Y轴刻度是压力,单位是帕。三相点的位置位于温度摄氏0.01℃ 、压力610Pa。从三相点出发,有三条红线把水的三态固态冰、液态水、气态水蒸汽隔开。

④对照图,提问者所说的水的热胀冷缩异常的现象,出现在压力为100,000Pa(也就是一个大气压)的水平线上。这条线截固态冰与液体水的分界线于0℃,也就是一个大气压下水的冰点是0℃;截液体水与气态水蒸汽分界线于100℃,也就是一个大气压下水的沸点是100℃。

⑤压力偏离一个大气压后,4℃不再是水的最大密度点,或者说不再是体积最小;随着压力变化程度的变大,水因为相变而产生的违反热胀冷缩规律的不正常现象不复存在,又呈现出热胀冷缩的物质通性;而冰点也不再是0℃,沸点也不再是100℃。压力低于610Pa后,水不存在液态,只会在冰(雪)与水蒸汽之间相互转换;温度高于0.01℃后,水不存在固态,只会在水与水蒸汽之间转换。也就是说,只要温度高过了0.01℃,液体水是压缩不成固态冰的。

⑥如果你希望了解任何一个温度、任何一个压力下的水的状态,可以利用这个水的三相点图进行查询。

先说结论,冰变水的过程不止是由压力决定的,变化速度由最慢的因素那个决定。因为压力的转变通常很快,通常不是那个决定因素。也就是说,把压力撤掉,可能会受其他因素的影响,冰不会马上变成水。

除了压力之外,水和冰之间的变化还受热量的影响。简单来讲,液态水和冰是两种状态(一般称之为两种不同相),他们的内能不一样(可以理解为内部原子排列不一样),水相比冰相内能高,所以水变成冰的过程要以热量的形式放出多余的能量,冰变水就要吸收热量。这个放热和吸热的速度,又与放出的热量的总量(两种相的热量差,以及两种相的质量有关)和热量在水中的传递速度有关系,这些都会影响冰变成水的速度。

我们生活中看到的冰块变成水的转变,比如菜市场用的那种几十公斤的冰砖,在太阳底下暴晒或者在火上烤也得好久才能彻底融化。这是因为冰和水的内能差很多,同时冰块质量又大,要吸收大量的热量,加上水的导热又很慢,所以过程很慢。但是也有非常快的情况,比如碎冰沫,特别是粘在在金属(如菜刀)上的碎冰沫,你会发现变成水是一瞬间的事情。冰块体积(质量)越小,给他提供热量的载体导热越好,融化速度就越快,如果这个尺寸小到纳米尺度,或者更小,可能会轮到压力来影响转变速度了,不过这个应该不是你关心的问题。我推测,你关注的是一坨冰,会不会一瞬间转变为水。

这就涉及到另一个情况,如果两个相之间的内能差很小,那么他们体积再大,所需要的热量也不会太多,那么转变就会很快。题主所说的, 高压下的水-冰相转变,里面的冰不是我们日常中见到的冰,而是冰的另一种相。从相图上来看,室温下应该是冰VI相 (下图300K一直向上)。但是我查不到相关数据(懒),不确定冰VI相的内能与液态水之间的关系。只是通常内能差比较小的情况,多在两个固相之间,像这冰-水这种固相和液相,通常是不存在的,特别是极高压力下得到的相,内能只会比常压相更低,。为什么我故意说这种不太可能的情况?因为我前面都整理了文字,还查了相图,最后才意识到不可能。工作都做了,不放上来难受。

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