你们都晓得,在正常情况下,我们借助一定的能源,可以将水在100摄氏度烧开,这个100摄氏度就是水在液态和气态之间的临界点。而“正常情况”就是在1个标准大气压的状态,水的相态变化,既有放热和吸热使其达到相态变化临界点的缘由,其所受压力的大小更是主要的影响诱因。如果我们在一个封闭系统内对水存在的气压加以调整,不但可以将水烧到110摄氏度,比这个气温更高的情况都是完全可以发生的。另外,从某种意义上来说,有时不注入能量,在一定的大气压之下水也会自然“沸腾”。
水相态变化的决定诱因
水的存在相态情况,取决于水份子之间的结合力大小,结合力越大,分子之间越不容易分离,水都会以固态或则液态的方式存在;相反,结合力越小,分子与分子间挣开物理键的能力就越强,才会容易以气态的方式存在。你们晓得水的密度与温度的关系曲线,水份子的内部是靠O-H键结合上去的,而水份子与水份子之间,是靠官能团的作用维持的,这个构象的斥力大小,介于物理键和范德华力之间,在水份子不断活动的影响下,分子之间的官能团可以相应地进行破裂或则重新产生。
而影响官能团结合的影响诱因,实质上就是对水份子活动剧烈程度的影响诱因,主要包括两个方面:
一是气温的影响。气温越高,水份子所获得的动能就越大,活跃程度就越高,互相之间的络合物就越容易发生破裂,水都会容易从固态奔向液态和气态,或则从液态向气态转变。这就是我们通过向一定的水系统输入能量,提高整体水温,使其可以沸腾的诱因。
二是浮力的影响。浮力越大,水份子遭到的约束力就越强,活跃程度就越低,分子间的电负性越不容易发生破裂,水份子之间的黏性就越高,要使水从活跃的“高阶”状态转向“低阶”状态就越容易,相反就比较困难。这就是我们在青藏高原高海拔地区煮饭,水没有抵达100摄氏度都会沸腾的缘由,由于大气浮力较小,相较于平原地区,在输入较少的能量下就可以实现水相态的变化。
水相态变化的基本规律
在1个标准大气压下,你们都晓得水从固态转化为液态的气温值为0摄氏度,从液态转化为气态的湿度值为100摄氏度。而假如考虑系统浮力的变化情况,水在单相之间的变化都会复杂得多。这儿就有三个临界气温-浮力曲线所围成的区域,分别是固态、液态和气态的气温-浮力“空间”,而对于这三个空间来说,都会存在着三条相态变化的曲线,在这条曲线上的点,就是水相态变化的临界条件。
水的气态相位。水的气态相位组成的气温-浮力空间相对来说规律性很强,是一个典型的“二象限”倒抛物线,其气温-浮力曲线切线斜率以1个标准浮力、100摄氏度为临界点,在1个标准浮力之下,相态的气态维持,所需的浮力与气温它们的变化差的比值就越高,也就是体温提高的幅度,要比浮力的提高幅度,对于液相的维持疗效来说要低。反之,假如在1个标准浮力之上,情况刚好相反水的密度与温度的关系曲线,要想维持水的液相状态,在降低相同的大气浮力的状态下,所须要的能量输入下降量都会显著提高,例如在10个标准大气压下,气温提高到177摄氏度水都会从液态转化为固态。
水的液态相位。不仅刚刚所说的水液态与气态相位之间的气温-浮力对应关系遵循“二象限”倒抛物线规律外,液态与固态之间的对应关系就比较复杂。大概在100个大气压的条件下,0摄氏度这个气温是水液态与固态的临界气温;而在100-6300个大气压之间,水的液态与固态之间的临界气温会高于0摄氏度,其中在2100个大气压时,这个临界气温值最低,约为零下22摄氏度。当低于6300个大气压时,水从固态向液态转化所需的气温都会显著提高,例如在1万个标准大气压时,水从固态转化为液态所需的湿度值都会提升到400摄氏度。
水的固态相位。水的固态相位,不仅刚刚所说的与液态之间对应的气温-浮力关系曲线作为临界线之外,还存在着一个固态直接转化为气态的临界曲线,那就是以0摄氏度和0.006个标准大气压为临界点向上的一部份倒抛物线,而这个临界点也是水的固、液、气单相态共同存在的一个最为特殊的点。从以上的剖析我们可以看出,要想实现把水烧到110摄氏度一直以液态方式存在,这么这个系统所要满足的浮力区间,约为1.05个标准大气压到2.2万个标准大气压之间,这个区间之内都可以通过能量的持续输入,使水以液态的方式或则达到临界状态的方式将其体温提高到110摄氏度。
低温高压水的特点
通过刚刚的剖析,水的液态-气态临界曲线为“二象限”倒抛物线的形态,假如我们将水放置在一个特殊的低温和高压的环境中(例如370摄氏度以上、220个标准大气压以上),这么就有可能促使因低温而使分子活跃程度提高与因高压使分子活跃程度增加两者处于平衡状态,使系统内的水处在一个低温和高压状态下,它的液态-固态的气温-浮力组成的曲线刚好与临界曲线相吻合,处在这个状态的水被称为“超临界水”。
因为超临界水对气温和浮力的变化十分敏感,表现在水的密度值和官能团的结合力,在处于临界曲线附近区间时跳跃性很强,这些状态的水对有机物质的溶化作用明显提高,并且还能迅速提高物理反应的发生效率,因而可以作为高效的非极性有机溶剂和物理反应媒介的物质,成为诸多机构争相研究的前沿领域。