把水装在一个绝对密封的容器中不断进行高温加热,里边的水会减少吗?

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核电站一回路的工况和这个模型有类似之处。

阅读前需要知道的知识点:

  • 饱和水:在一定条件下,液态水和蒸气保持动态平衡时,处于饱和状态时的液态水称为饱和水。在此压力下的饱和水如果再继续吸收一点热量,立刻就会从液态水变成蒸汽。

如上图所示,当水未达到饱和时,如果吸收热量,温度就会增加,当处于饱和状态时,虽然在吸热,但是温度并不会增加。

如上图所示:铁球中水由于吸收了热量,温度会逐渐增加,然后达到饱和状态,这时液态水和蒸气保持了动态平衡,当继续吸收热量时,铁球中的水将全部转为蒸气,并且随着蒸气量增加,铁球内的压力也会增加,水的饱和温度也会增加。

当温度超过374摄氏度时,液体将全部变为气体,如果继续加热,蒸气将变为过热蒸汽。如果压力继续增加,过热蒸汽将变为一种超临界的流体,既不是水也不是蒸气。

直接答案:在一个绝对密封的容器中加热水,如果水没有装满容器,加热过程中水量会不断的减少,最后全部转变为蒸气。

继续加热会发生什么?

这个没有探讨,可以开脑洞想象,如果容器足够坚固,破坏了水的氢键后还可能继续破坏氧原子和氢原子的原子结构,即出现了氢离子,再继续加热,原子可能摆脱了核外电子的束缚,那么能发生聚变反应吗?

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核先生科普


答:如果容器是理想刚体(不融化、不反应),那么水不会减少,水会先转变为超临界水,最后成为等离子体;实际当中,超临界水会和容器发生化学反应,然后水还未转变为等离子体,容器就已经融化。


我们知道,水的沸点会随着压力的增加而增加,比如标准大气压下,水的沸点为100℃,10个大气压下,水的沸点将上升到180℃。

密封容器装满水,在加热过程中,由于容器限制了水体积的增加,所以内部压力急剧升高,水的沸点也会随之升高,变化过程如下。

(1)刚开始容器内部的水为液态,所以水的参数变化,会在三相图中气液转变线上方的液态区域内,也就是图中的蓝色粗线上方(温度升高、压力升高的等密度线)。

(2)当温度高于临界温度Tc=374.2℃时,水就会转变为超临界水,超临界水同时具备部分液态水和气态水的性质,也可以看成气液混合态,此后无论压力如何增加,水都不可能变为纯液态。

(3)如果继续对容器进行加热,内部的压力上升非常快,直到把容器撑爆。

(4)如果假设容器能继续承受压力,那么内部温度能上升到1000℃以上,此时高温水的化学性质非常活波,能和许多金属单质发生化学反应。

(5)如果继续加热容器,就得考虑容器的熔点了,铁的熔点为1535℃。

(6)如果容器是理想刚体(不融化、不反应),那么容器内的水在3000摄氏度以上,就会转变为等离子体,水分子瓦解为氧原子和氢原子,核外电子也会脱离原子核束缚,此时已经没有任何固体物质能承受。

处于高温高压的水,分子热运动非常剧烈,如果容器的热胀冷缩率小于水的热胀冷缩率,那么内部水的压力增加将会非常快,或许还没有到达1000摄氏度,容器就发生爆炸了。


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容器里的水是否会减少取决于这是一个什么样的容器。

按题目的意思,这应该是一个足够坚固、不会泄漏,并且是足够耐高温的容器。如果是金属容器,铁肯定不行,它需要是熔点更高的金属,比如一个厚厚的、金属钨做的空心球。

(一颗炙热的金属球)

水在容器里加热后的状态还要看它是否装满。

如果容器中装了一半的水,那么水在加热后会先开始蒸发,然后成为过热蒸汽;而如果容器中全部装满了水,完全没有空隙,则在加热后将不会有蒸发发生,水会在达到373.85度时直接成为超临界液体。

(水分子蒸发与冷凝的微观过程)

当我们继续加热这个密封容器,其内部的水温度也随之继续上升,直到温度达到2200℃时,容器中会有3%的水开始出现热解反应。

(水分子之间靠氢键连接)

我们在开始时说过,铁制的容器不耐高温,因为铁的熔点在1538°C,实际上在加热到1500°C之前,容器内水的巨大压力就已经使其产生爆炸了。另外,高温水蒸汽会与铁发生氧化反应,这事实上也会使水减少。

(水蒸汽压力随温度升高而急剧上升)

当水被加热到2200°C,一部分水分子的氢氧化学键出现断裂,变成氢原子、氧原子、氢气、氧气和氧化氢等物质;而当温度继续上升至3000°C,容器内将有超过一半的水分子被分解为H、H₂、O、O₂和HO,甚至还会有H₂O₂和HO₂出现。现在你应该明白了为什么我们需要用金属钨来做这个密封容器,因为钨的熔点达到3422°C,它应该可以抵御水热解过程带来的巨大内部压力。

(这是水分子的电解反应,相比之下水热解后的产物要复杂得多)

如果容器内的水没有装满,在水被热解后,它在容器内会是H₂O、H、H₂、O、O₂、HO、H₂O₂和HO₂混在一起的炙热的气态物质;而如果一开始容器内装满了水,那么它在高温热解之后会是两种被打乱元素混在一起的超临界流体“汤”。

如果你继续加热钨容器,在接近钨的熔点时它也会发生爆炸。


周志宏glee


把水装在一个绝对密封的容器中不断进行高温加热,里边的水会减少吗?

一个非常有趣的话题,首先我们来假设一下,比如这个容器是一个理想的压力容器,再大的压力也不会爆炸,再高的温度也不会融化,无论水怎么变化都不会与容器发生反应!那么我们可以负责任的告诉你,在不限制温度的加热条件下水是会减少的,甚至质量都会发生改变,最终将得到啥?也许取决与加热的温度!

一、首先将会到达水沸腾的温度 不过沸腾的前提是在水没有装满的情况下,在这个条件下将会得到过热蒸汽!假如水装满的话,那么沸腾将不会发生,继续加热将会直接得到超临界水!二、超临界水 指的是当气压与温度到达一定程度时,比如温度达到374.3℃,压力达到22.5MPa时,高温膨胀的水密度和高压被压缩的水蒸气密度一致,此时水的液态和气态没有任何区别,完全互相交融,成为一种高压高温状态的流体!此时水的分子结构并没有改变!水的整体质量也没有改变!

超临界水有很多有趣的特性,如上图,有兴趣的朋友可以了解下!

三、水的热解 当水温超过2200℃时,部分水开始热解!在高温下水分子氢氧化学键断裂,成为H、H₂、O、O₂和HO等各种形式!继续温升则会有更多的水被热解,此时真正的水将越来越少,水的质量发生改变,但总体质量没有改变!

三、氢元素核聚变 无限高温的条件下,水热解出的氢原子将会达到聚变的条件,将会出现这个过程:2个氕核聚变为氘核,然后一个氕核在与氘核聚变为氦-3,最后氦-3再聚变为氦-4!

但这并不会结束,如果继续高温无限上升,那么将会达到氦元素聚变生成碳和氧元素......

氢元素聚变以后的各种元素的变化及温度条件!一般认为高温在达到硅元素生成铁元素之后就比较稳定了,但温度继续无限上升,将会出现S过程(慢中子捕获)和R过程(快中子捕获)生成更重的元素,但在加热过程中,S过程可能会发生,但R过程可能不会发生,这并没有多大关系,因为重元素中有一半是S过程合成的!元素继续往重元素跨越!

在这个过程中,每一次聚变过程都将减少质量,减少部分将作为能量加热自身达到更高的温度!而这个质量减少是整体质量,并且遵循质能方程!

四、在无限加热的情况下,最终将达到普朗克温度:

普朗克温度 T=1.416833(85) × 10^32K。

其中:mp为普朗克质量,c为真空中的光速,h为约化普朗克常数,k为玻尔兹曼常数,G为万有引力常数!

也许将达到宇宙大爆炸前奇点的状态,当然那是一个高温致密又无限小的起点,而密封的容器则不可能有这个条件,因此它并不可能达到这个温度,而只是接近这个普朗克温度:1.416833(85) × 10^32K而已!


星辰大海路上的种花家


化繁为简,题主问题是,水量会不会减少?

普通意义上讲,不会。但严格意义上讲,会!

普通意义,是指高温不会引发水分子被改变的情况。因为水蒸气也是水!按照普通条件下质量守恒原理,水的总质量也不会变化。

但严格来说,水分子是会被分解掉一些,自然就是减少了容器里水这种物质的总质量。

另外,当温度达到核变条件,水不知道变成啥了?!

因此,严格意义上,水的质量会减少。

不过大家想讨论的可能是另一个问题,到底水会不会都变成气体。

这看两个条件,一看水量与容器的体积比,二看温度的高低。

大家知道,高压锅压力越大,沸点越高,水的沸点和压力有关,然后,下雨则是因为水蒸气凝结。

因此,可以想象,在完全不溢出密闭容器内,如果水体积量占比很高,会达到一个水和水蒸气的平衡点。

然后,高温持续加热,未必能使得水温再提升,因为这个高温如果是火的温度,就算烧窑,温度也是有限,当内温达到与外温平衡了,就会不再提温度。

如果容器里99.9999999999999999999999%都是水,然后水都变成蒸气,那么蒸气的密度是多少?难道比黑洞的密度还高,那问题的性质就改变了!这种情况下,爱因斯坦可能也脑袋不够用了!



神秘烙剑许建锋


水变成水蒸气,会爆炸。水+水蒸气总量不变


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