水在超高壓的環境下,最多可以加熱到多少度?有哪些相關的科學依據?

有夢起飛4


這問題有點歧義,是問水的沸點還是問水本身的化學變化?

因為水本身有常見的三態,氣態液態固態,如果只是說加熱,那麼不需要啥超高壓也能把水加熱到很高的溫度,加熱水蒸氣就是了。當溫度達到足以破壞氫氧鍵的時候,水分子轉變為氫氣、氧氣或者氫氧原子,這時候水就不再是水了,也就是問題中的【最多可以加熱到多少度】的極限值。

圖示:要把水分解為氫氣和氧氣最簡單的辦法是電解,而不是使用高溫強行破壞氫氧鍵。


如果要用高溫來解決水,那麼這道題是可以進行理論計算的,並且為了計算方便,默認總是1個大氣壓。

圖示:高溫導致的水分解,包含兩個反應。最終你會得到氫和氧原子。

圖示:在1個大氣壓下摧毀水分子需要的溫度,以及水的分解產物的變化曲線。

注意看圖中的幾條線。在2000K以上水開始少量分解為氫氣和氧氣分子以及OH,這時候氫氧分子還能保持穩定,但從2500K開始氫氧原子開始生成,在大約3500K的時候,氫氧原子成為主要分解產物,在大約5000K時,水分子以及它的其它分解產物都將無法保持穩定,全都變成了氫氧原子。

如果題主是想問,超高壓下,水的沸點最高為多高?那就是另一個問題。

那就變成另一個問題,即水的沸點能夠升高到比如2000K嗎?這是水開始有意義的分解的溫度,之所以說有意義,是因為我們處於一個概率世界中,在常溫下也有極微量的水分子轉變成了比如氫氣和氧氣,但這沒有意義,因為量太少了,可以忽略不計。


圖示:在溫度和壓力的同時影響下,水的三態變化,水相圖。

solid(黃色) 最左側表示水處於固態

liquid(藍色) 中間表示水處於液態

gas(紅色) 右下表示水處於氣態


可以發現,在溫度不變的情況下,對水加壓,那麼氣態的水可以轉變為固態或液態的水。在273.2K(即零攝氏度以上)之後,加壓只能得到液態水,不能得到固態水。這和固態水的晶體結構有關。


實驗研究發現,水的三相轉變比較複雜,在普通壓力下,當溫度超過大約647K(374攝氏度)之後,簡單的升高壓力,水還是隻能保持在氣態,無法液化,這意味著在普通壓力情況下,647K就是水難以逾越的沸點了。


但如果題主不在乎水是液態的,只要不是氣態就行,因為氣態可以一直升溫,這就回到了最初的答案,水分解的答案。如果還要讓水是水,且不是氣態水,那麼超高壓超高溫的冰是存在的。


在超高壓力的情況下,水可以再次變成固態的,高溫固態水,特殊的冰,但這需要達到吉帕斯卡(gigapascal),同時也不是處於液態水狀態下!這時候的固態,和普通的固態不同,它們被命名為冰七冰十,冰十能在1000K(約700多度)的溫度下存在著,當然需要超高壓了。而是否能達到讓水開始發生有意義分解的2000K,我們暫時不知道,因為沒人做過實驗呢。

圖示:羅馬數字 X 為冰十,它在最上面,這張圖左邊表示壓力。上面是1GPa和1TPa的範疇。1GPa = 1萬個大氣壓 1Tpa = 1千萬大氣壓。

這樣的壓力,是滿足題主所言的超高壓了。



三思逍遙


這個問題問的不嚴謹,因為如果定義水為「液態水」的話,那@五月21號 的回答已經很明確了,就是374.15攝氏度。因為之後就不會存在液態水了,要麼是蒸汽,要麼是超臨界水。

而如果只要是水分子都行的話,那溫度就可以很高了。我們可以大致的計算一下。水的分子式是H2O,那麼存在兩個氫-氧鍵,要破壞它,需要498.7KJ/mol的能量。也就是一mol的水,需要498.7kJ的能量輸入才可以。

一mol的水是18克,而根據水的比熱,一千克水加熱1攝氏度需要4.2KJ的能量。就假設從30攝氏度開始加熱,到液態水的最高溫度374.15,需要26KJ的能量。比498.7要少得多。

然後要麼就是蒸汽,要麼就是超臨界態。為了方便,就把這之後的情況看作是氣體,按照3.5R作為其比熱容,也就是加熱一摩爾水蒸汽1攝氏度,需要大約29焦耳的能量。對應的,要消耗剩下的472.7KJ的能量,可以再升溫16300攝氏度。

這樣,對應的就是大約17000攝氏度的溫度,將是水分子存在的極限溫度。超過這個溫度之後,水分子之間的互相碰撞就足以破壞水分子。

溫度再高,大部分可能就是遊離的氫、氧原子了。上面的溫度是一個估算,由於速度存在分佈,所以可能在小於17000攝氏度的地方,就有水分子分解了。


章彥博


我們知道水的沸點會隨著壓力的增加而增加,常見的應用就是高壓鍋,高壓鍋的原理就是利用高壓鍋的密封性來增加鍋內壓強,從而將水的沸點提高,家庭用高壓鍋沸點達到110到120度,從而可以快速將食物做熟。高原地區水的沸點較低恰好與這個相反。

水的沸點不會隨著壓力的升高而無限升高,這也是核電站熱工水力研究的內容之一。

從上圖可以看出,黑色那條線就是飽和液體線,線上面是過熱蒸氣,線下面是液態過冷水。水的沸點隨著壓強的增加而增加但是如果壓強超過22.1兆帕後,水的沸點將不會增加了,這時對應的沸點是374.15攝氏度,這個溫度也被稱為臨界溫度。這時水將全部變成蒸氣,無法以液態水形式存在。

因此即使在超過壓的環境下水的溫度也只能達到374.15攝氏度,這也是壓水堆核電站

一回路溫度受到制約的因素之一,壓水堆核電站是不允許堆芯中出現沸騰的。

看到下面的回答真的是有點跑偏了,這題都能偏到黑洞上,即使把液態水移到哪裡,在密閉容器中也是同樣的性質。

不過今天七夕,偏到銀河系鵲橋才是正常的!


五月21號


這個問題有點太籠統了,你沒有給出水的質量,例如水體的質量超過銀河系所有物質質量的總和,那麼由於水分子之間的相互排斥力遠低於自身的引力,那麼水就會形成黑洞,黑洞的溫度也沒有任何科學設備能測得。所以請在提問前規定好物質的質量,壓強,還有其他的自然或非自然因素。


A0000科技領先


水在正常情況下,氫氧鍵在一千度的時候就會斷裂,分解成氫氣和氧氣。你給的超高壓,俺也不知道是一百個大氣壓還是十萬億個大氣壓


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