一立方釐米的鐵塊,在自然狀態下要多久才能蒸發完?

2020-12-06 火星科普

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液態水很容易蒸發成為水蒸氣進入大氣中,然後水蒸氣遇冷又凝結為雨滴落下來,這是地球上水循環的重要過程。那麼,鐵能否蒸發呢?對於一塊一立方釐米的鐵塊,在自然狀態下要多久才能蒸發完呢?

首先,鐵是固態,如果它變為氣態鐵,這個過程不叫蒸發而是升華。鐵的熔沸點非常高,這是因為帶正電的鐵離子與離域電子通過靜電力形成強大的金屬鍵,如果要破壞金屬晶格,需要大量的能量。在常壓下,鐵要被加熱到1538攝氏度才會熔化,進一步加熱到2750度才會大量蒸發成為氣態。

但在常溫的情況下,鐵能否從固態直接升華為氣態呢?

在常壓下,液態水不一定需要加熱到100度的沸點才會蒸發為水蒸氣,它們在常溫下也能蒸發。不然的話,地球上就不會有雲和雨,因為自然界中的水大都沒有被加熱到沸點。那麼,水如何在常溫下也能蒸發呢?

關於這個問題,需要來了解一下飽和蒸氣壓的概念。

飽和蒸氣壓

在任意一個溫度下,水的表面會有水分子不斷擴散到空氣中成為水蒸氣,空氣中的水蒸氣也會不斷擴散到液態水中。如果蒸發和凝結的過程達到了一個動態平衡,此時的蒸氣壓就是飽和蒸氣壓。在這種情況下,一杯水的體積既不會增加也不會減少。飽和蒸氣壓不是一個常數,它的大小會隨著溫度的升高而增加。

就像水一樣,即便是固態的鐵也會一個對應的飽和蒸氣壓,固態鐵也會在一定程度上升華為鐵蒸氣。但在常溫下,鐵的飽和蒸氣壓極低,鐵很容易達到飽和蒸氣壓而保持動態平衡,它們不會像水那樣不斷蒸發為水蒸氣。如果自然環境中的氣壓和溫度保持不變,無論經過多長時間,一立方釐米的鐵塊不會完全升華掉。

只有在足夠高的溫度下,鐵蒸氣才會大量存在。天文學家在距離地球620光年的地方發現了一顆表面溫度最高的熱木星——KELT-9b,這顆行星太過於靠近熾熱的主恆星,導致它朝向主恆星的那個表面的溫度高達4300度,天文學家在這顆行星的大氣中檢測到了鐵蒸氣。

金屬蒸鍍

在真空中,金屬的沸點將會大幅下降,例如,鐵在真空中升華的溫度大概只有500度。把金屬置於真空環境中,通過不斷加熱,金屬會慢慢升華,並在另一個物體的表面上沉積一層金屬薄膜。通過這樣的原理,可以實現金屬蒸鍍,這種技術常用於半導體器件的製造。

質子衰變

如果要讓鐵自然地消失掉,可能也只有等待質子衰變的發生。相關理論預言,標準模型中十分穩定的質子也會發生衰變,轉變為π介子和正電子,而π介子又會進一步衰變為伽馬光子。

不過,質子的半衰期極長,非超對稱大統一理論給出的時間為10^36年,也就是1萬億億億億年。相比之下,宇宙的年齡才138億年,所以質子衰變在現在的宇宙中幾乎不存在。需要經過極為漫長的時間之後,鐵塊才有可能通過質子衰變完全蒸發掉。

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    如果一個一立方釐米的黑洞接近地球,會發生什麼? 首先我們來了解一下1立方釐米黑洞有多大。 黑洞本身實質在奇點,而奇點是沒有體積的,或者說無限小體積的。這裡說1立方釐米只能理解為黑洞的史瓦西半徑球形體積,根據球體積公式V=4/3πr^3計算,1cm^3體積的黑洞,史瓦西半徑約為0.62cm,我們地球的史瓦西半徑約9毫米,因此這個黑洞比地球質量要小。
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    如果一個一立方釐米的黑洞接近地球,會發生什麼?首先我們來了解一下1立方釐米黑洞有多大。黑洞本身實質在奇點,而奇點是沒有體積的,或者說無限小體積的。這裡說1立方釐米只能理解為黑洞的史瓦西半徑球形體積,根據球體積公式V=4/3πr^3計算,1cm^3體積的黑洞,史瓦西半徑約為0.62cm,我們地球的史瓦西半徑約9毫米,因此這個黑洞比地球質量要小。那麼這樣一個黑洞質量有多大呢?這就要根據史瓦西半徑公式來計算了。史瓦西半徑計算公式為:R=2GM/c^2。這裡R為史瓦西半徑值,G為引力常量,M為天體質量,c為光速。
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