水能被壓縮嗎？為什麼冰體積比水大？為什麼有的水會突然結成冰？

2020-10-18 星辰大海種花家

一種物體是否能被壓縮有一個非常簡單的衡量方式，內部是否有間隙！比如一團蓬鬆的棉花，如果最小化收納有兩種方式：

1、將它裝到袋子裡，儘量裝緊實，體積將會大大縮小

2、將它裝到密封袋裡，抽真空，可以最小化收納

那麼水能被壓縮嗎？中學物理告訴我們水是不能壓縮的！水有間隙嗎？似乎沒有這種說法，我們繼續討論。

一、水分子之間有間隙嗎？

棉花的花絮與花絮之間有間隙我們肉眼就能見到，但水中的間隙我們是看不見的，即使有所謂的空隙-氣泡，那麼也會快速的浮上水面，似乎看起來沒有間隙，那麼是這樣嗎？

1、空氣被壓縮的秘密

壓縮空氣大家司空見慣，它的用途很多，工業上它是氣動工具的必備動力，民用上可以驅動木工的射釘槍，也可以作為潛水員的呼吸空間，這是因為空氣分子的間隙很大，比標準溫度下的氧氣平均分子間距為3納米，而一個氧分子的大小約為0.3納米，理論上如果要到一個個挨著的程度的話，它可以被壓縮1000倍，當然這很難！比如空氣的密度是1.293千克／立方米，液態空氣的密度是900千克／立方米，兩者相差約696倍！

而分子之間的平均間距決定了常態下物質體積的大小！

2、水的固態液態和氣態分子之間的間隙

水是一種比較有趣的物質，一般來說氣態體積最大，液體次之，固體的體積最小，但對於水來說，大約在3.98℃時的時候體積是最小的！

這是因為水分子之間的氫鍵在起作用，結冰以後水分子會形成規則的六邊形結構，但水分子中間的氫鍵，在結冰後距離並不會縮小，反而會變大，因此結冰後的體積會比水大10%左右！但水還有一種更怪異的狀態，過冷水，如果水分子沒有排列成規則結構，比如在特別純淨的水中，幾乎無擾動時就會形成類似的條件，那麼此時冰是不能形成的，但如果擾動足以打破這個水分子的無序狀態，它將會立即結成冰！

打破這個平衡或者有凝結核，就會突然將水結成冰！08年雪災時壓垮電線的就是過冷雨落在電線上不斷結冰導致了電線承載超過極限而斷裂或者鐵塔倒塌！

回到主題，作為物質，水分子間仍然存在間隙，比如水在100MPa的壓力下，水的體積可以被壓縮約4%，儘管水在一定比例上可以被壓縮，但水仍然是一種優秀傳遞壓力的液體，所以我們才有了萬噸水壓機！

二、原子內部的間隙

中學開始我們就了解原子內部的世界，從湯姆遜1904年提出的原子模型到盧瑟福用α粒子轟擊金箔發現原子核以後，大家在發現，原來原子核內部居然如此空蕩蕩！

盧瑟福發現除了極少數α粒子被偏折甚至被彈回以外，絕大多數都穿過了原子，這表明原子內部大部分都是空的！

那麼吃瓜群眾就有疑問了，為什麼原子內部除了幾粒帶負電荷的電子外就空無一物了，是什麼力量在支撐這個空蕩蕩的空間卻能保持宇宙中僅次於夸克簡併力的支撐力！主要有如下兩點：

1、泡利不相容原理中的兩個費米子不能處於同一狀態的電子簡併力支撐

2、電子+質子質量<中子質量 ，根據質能方程，這多餘的質量必定來自於能讓兩者中和的能量

因此電子需要強大的能量才能「墜入」原子核。不過也讓我們知道了只要有足夠的能量，原子的體積也能大幅縮小，最終變成中子星的物質，而壓縮它們的能量就來自於自身的引力坍縮。但現實中我們無法製造出如此強大的壓力，即使在地核也達不到！

三、原子核以下的世界

原子核內只有兩種粒子，分別是質子和中子，質子是兩個上夸克和一個下夸克組成，中子則是一個上夸克，兩個下夸克，連接夸克的是膠子，由於夸克禁閉，我們很難打開質子和中子，只能觀察受到撞擊的強子狀態來了解內部的世界！

上下夸克都是輕夸克，它的質量很輕，但中子與質子很重，這質量來自膠子的提供的結合能，因此可以了解，要對抗這種結合能需要更強大的能量！

但理論上這個結構也是可打破的，最終成為所謂的夸克物質，繼續往下則將成為傳說中的黑洞！

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