水能被加熱到1千攝氏度嗎？一直加熱密封容器中的水會發生什麼？

2020-08-29 魅力科學君

水被稱為生命的源泉，每隔一段時間，我們就需要喝水，但我們喝水卻是有講究的，通常情況下，我們都會對水進行加熱處理以後再喝，據說這樣做可以有效地清除掉水裡的細菌。在燒水的時候，我們忽然冒出了一個疑問，那就是水到底可以被加熱到多高的溫度？


對此我們的第一反應是，如果一直對水加熱，那麼水就可以達到很高的溫度，比如說1千攝氏度。那麼到底水能不能被加熱到1千攝氏度呢？凡事都得講個證據，對於這個問題，我們應該通過實驗來找到答案，心動不如行動，反正閒著也是閒著。

實驗方法很簡單，一堆火、一口鍋，再加一個溫度計，好的，現在實驗開始，看著溫度計上的數字不斷地攀升，我們不禁露出了滿意的笑容，然而正所謂「人生不如意之事，十有八九」，我們很快就發現，當水的溫度上升到大約100攝氏度的時候，就再也沒有上升了。這是為什麼呢？


原因就在於水的揮發性，作為一種液體，水中的水分子會自發地向空氣中擴散，即從液態的水轉變為氣態的水蒸氣，水的溫度越高，單位時間內產生的水蒸氣就越多，其產生的壓強就越大，而當水蒸氣產生的壓強與外界的壓強相等的時候，水就沸騰了，在這種情況下，水就開始大量地變成水蒸氣，從而源源不斷地將熱量帶走，於是水的溫度就不會繼續上升了。

由此可見，當外界的壓強增加的時候，水蒸氣產生的壓強就必須要達到更大的值才能夠讓水沸騰，這就需要更高的溫度，換句話來說就是，要將水加熱到更高的溫度，就需要將水放進可以增加壓強的密封容器中。於是我們的問題就變成了：在密封的容器中，水能被加熱到1千攝氏度嗎？一直加熱密封容器中的水會發生什麼？

理清了思路之後，我們決定升級裝備，好在我們都是不差錢的主，很快我們就找來了一套集密封、加壓、加熱以及實時數據分析於一身的專業設備。


為了謹慎起見，我們決定先加壓到1兆帕，這大約相當於10個標準大氣壓，一切準備就緒之後，我們開始對密封容器中的水進行加熱。正如我們所預想的那樣，在增加了外界的壓強之後，水的溫度輕鬆地突破了100攝氏度，並且一路上升，最終定格在180攝氏度，因為水又沸騰了……

很明顯，我們對水施加的壓力還不夠，那麼2兆帕又會如何呢？在我們的想像中，既然1兆帕可以讓水的溫度在100攝氏度的基礎上提高80攝氏度，那麼2兆帕就應該再提高80攝氏度，也就是260攝氏度。

但實驗結果卻顯示，在2兆帕的壓強下，水的溫度達到210攝氏度就沸騰了，更讓人失望的是，當我們將壓強提高到3兆帕的程度，水的溫度僅升高了25攝氏度。

看樣子我們的加壓力度還遠遠不夠啊，好吧，我們已經有點不耐煩了，現在我們直接加壓到20兆帕，這已經相當於大約200個標準大氣壓了。然後我們驚訝地發現，即使在這樣的高壓下，水的溫度也只是達到了365攝氏度，離1千攝氏度還差得很遠。

沒關係，反正我們的設備很專業，繼續加壓就是了，但怪事很快就發生了，我們觀察到當壓強增加到22.12兆帕、溫度達到374攝氏度的時候，密封容器中的水已經不再是原來的樣子了，其形態變得既像氣體又像液體，又兩者都不是。

這又是怎麼回事呢？在諮詢了專業人士之後，我們才得知，原來這是水的超臨界現象，374攝氏度是水的臨界溫度，一旦超過了這個溫度，水就會完全轉變成水蒸氣，無論我們施加多大的壓力，這些水蒸氣都不可能再轉變成水了。

也就是說，我們的實驗證明了374攝氏度就是水的溫度極限，就算是在密封的容器中，水也不能被加熱到1千攝氏度。接下來，我們還要繼續把這個實驗做下去，因為我們還有另一個問題，即一直加熱密封容器中的水會發生什麼？

在高溫的炙烤下，密封的容器中的水很快就全部消失了，它們都變成了水蒸氣，接下來的過程就顯得非常無聊，儘管溫度在不斷地上升，我們卻看不到任何有趣的現象。就在我們等得呵欠連天的時候，有意思的事情發生了，因為密封的容器中的物質居然發光了。

開心的我們又去諮詢了專業人士，得到的答案是，水分子是由兩個氫原子和一個氧原子通過化學鍵連接在一起的，但這種化學鍵並不是太牢固，當溫度達到一定的程度的時候，它們就會斷裂，此時水分子就分解成了單個的原子。


而隨著溫度的進一步升高，原子內的電子又會脫離原子核的束縛，這被稱為「電離」，在這種情況下，密封的容器中的物質就變成了一堆原子核和電子的「大雜燴」，然而這些原子核和電子並不會穩定地存在，它們會不停地結合和電離，在結合過程中，電子會從高能狀態轉為低能狀態，並向外釋放出光子，於是我們就看到它們在發光了。

這種「大雜燴」被稱為等離子體，所以我們現在明白了，如果一直加熱密封容器中的水，那麼這些水最終都會變成會發光的等離子體。


值得一提的是，雖然我們費了很大的勁才能得到這團等離子體物質，但是這並不代表這種狀態的物質在宇宙中很稀缺，實際上，宇宙中的絕大部分物質都是以等離子體的形式存在，例如我們太陽系的99.86%的質量都被太陽獨佔，而太陽上的物質全部都是等離子體。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`

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