四川
大家好，我是魅力科學(xué)君，今天我們來(lái)討論一個(gè)很有意思的問(wèn)題：1萬(wàn)米的深海里，用一個(gè)鋼瓶裝滿(mǎn)水后密封起來(lái)，撈上來(lái)后瓶?jī)?nèi)還有高壓?jiǎn)幔?/p>
首先來(lái)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(huì)增加大約一個(gè)大氣壓，這樣算下來(lái)，1萬(wàn)米深海里的水壓，就有大約1000個(gè)大氣壓，大概相當(dāng)于100MPa（10^8 Pa）。
這是什么概念呢？這樣說(shuō)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(gè)封閉的空鋼瓶置入如此高壓的環(huán)境中，那它很可能就會(huì)被直接壓扁，也就無(wú)法裝滿(mǎn)水了，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？
一個(gè)可行的方法就是，讓這個(gè)鋼瓶在潛入深海的全過(guò)程中，始終保持其瓶口是向上方敞開(kāi)的，能夠讓海水自由地流入瓶?jī)?nèi)。
正如我們所知，水壓會(huì)通過(guò)海水向各個(gè)方向均勻地傳遞，因此在此過(guò)程中，鋼瓶?jī)?nèi)外兩側(cè)的水壓就一直是相等的，如此一來(lái)，鋼瓶本身就不會(huì)單向受壓，自然就能“毫發(fā)無(wú)傷”地抵達(dá)1萬(wàn)米的深海了。
好的，現(xiàn)在這個(gè)鋼瓶已經(jīng)來(lái)到了1萬(wàn)米的深海里，并且其中已經(jīng)裝滿(mǎn)了水，那么請(qǐng)問(wèn)，當(dāng)我們把其密封起來(lái)之后，瓶?jī)?nèi)還有高壓?jiǎn)幔?/p>
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可能有人會(huì)說(shuō)，在被密封之后，由于鋼瓶?jī)?nèi)外已經(jīng)被隔離起來(lái)，因此瓶外的水壓就不可能通過(guò)海水傳遞到瓶?jī)?nèi)，在這種情況下，瓶?jī)?nèi)就應(yīng)該沒(méi)有高壓了。
然而實(shí)際情況卻并非如此。因?yàn)檫@種說(shuō)法其實(shí)隱含了一個(gè)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(gè)為了方便我們理解日常世界而做出的簡(jiǎn)化，但事實(shí)上，水是可以被壓縮的，根據(jù)科學(xué)家的測(cè)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(shuō)，每增加1Pa的壓強(qiáng)，水的體積會(huì)縮小大約0.000000046%。
可以看到，這個(gè)數(shù)值非常非常小，在日常生活中，這完全可以忽略不計(jì)，然而對(duì)于1萬(wàn)米的深海里的壓力環(huán)境來(lái)講，這就不可忽略了，簡(jiǎn)單計(jì)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(huì)同時(shí)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(jiǎn)單來(lái)講就是，水分子會(huì)強(qiáng)烈傾向于一個(gè)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(gè)平衡距離，它們之間就會(huì)表現(xiàn)為吸引力，如果距離小于平衡距離，它們之間就會(huì)表現(xiàn)為排斥力，并且距離越小，排斥力越大（如下圖所示）。
正如前面所述，在1萬(wàn)米的深海里，水的體積會(huì)縮小大約4.6%（相對(duì)于常壓），這會(huì)就讓水分子間的距離縮短了很多（相對(duì)于常壓），在這種情況下，水分子之間就會(huì)存在很強(qiáng)的排斥力。
對(duì)于這個(gè)裝滿(mǎn)水的鋼瓶來(lái)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(lái)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(shí)，原本由外部水壓平衡的分子斥力就失去了“對(duì)手”，在這種情況下，分子斥力就會(huì)直接施加在鋼瓶?jī)?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(shuō)，當(dāng)我們用鋼瓶在1萬(wàn)米深海裝滿(mǎn)水后密封起來(lái)之后，瓶?jī)?nèi)其實(shí)是存在著高壓的，而由于其壓力并不是來(lái)自外部水壓，而是來(lái)自瓶?jī)?nèi)的分子斥力，因此把它撈上來(lái)后瓶?jī)?nèi)當(dāng)然還有高壓。
那么，這個(gè)鋼瓶被撈上來(lái)之后，瓶?jī)?nèi)的壓力有多大呢？我們接著看。
在1萬(wàn)米的深海里，這個(gè)鋼瓶?jī)?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(duì)其進(jìn)行“壓制”，兩者之間的平衡，就使得鋼瓶就不會(huì)發(fā)生形變，但被撈上來(lái)之后，外部的強(qiáng)大水壓消失了，而鋼瓶?jī)?nèi)部的壓力依然存在。
如此一來(lái)，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(jì)），由于世界上不存在絕對(duì)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(huì)發(fā)生形變，通俗點(diǎn)講就是：它會(huì)被撐大一點(diǎn)。
這個(gè)“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(shuō)的原理，它們之間的距離一旦增加，瓶?jī)?nèi)的壓力就會(huì)隨之減小。
于是，一個(gè)新的平衡就此達(dá)成：鋼瓶?jī)?nèi)部的壓力，在把鋼瓶撐大了一點(diǎn)之后，降低到了一個(gè)新數(shù)值，具體是多少呢？
實(shí)際上，這個(gè)數(shù)值，主要取決于鋼瓶本身的材質(zhì)以及瓶壁的厚度?？偟膩?lái)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(duì)于高強(qiáng)度合金鋼瓶來(lái)講，雖然其最終的壓力值會(huì)明顯低于100Mpa，但依然是一個(gè)非?？捎^的高壓值，一般都可以達(dá)到數(shù)百個(gè)大氣壓。
當(dāng)然了，這需要有一個(gè)前提，那就是這個(gè)鋼瓶的結(jié)構(gòu)足夠緊固，不然的話，在被撈上來(lái)的過(guò)程中，它就會(huì)因?yàn)槌惺懿涣似鋬?nèi)部的高壓而破裂……
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