【腦洞系列】萬米深海裡用鋼瓶裝滿水後密封,撈上來時瓶內還有高壓嗎?

薛定諤的貓 2021/04/05 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

海洋的深度每增加10米,就會增加大約一個大氣壓,在1萬米的深海裡,其水壓可達到大約1000個大氣壓(100MPa)之高,深海的恐怖之處主要就在於此。想像一下,假如我們把這裡的處於高壓狀態的海水,用一個容器(比如說鋼瓶)密封起來,那麼當這個容器被撈上來時,容器內的壓強會有什麼變化呢?

簡單地講就是,在1萬米的深海裡,用鋼瓶裝滿水後密封,撈上來時瓶內還有高壓嗎?

一般來講,我們都會認為水是不可壓縮的,它的體積不會隨壓力的大小而發生改變,1萬米的深海裡,水只是充當傳遞深海壓力的介質,因此可以認為,將鋼瓶撈上來時,鋼瓶內並沒有高壓存在。

然而這是錯誤的看法,事實上水是可以壓縮的,資料顯示,在常溫下水的壓縮係數約為 4.74 x 10^-10 平方米/牛頓,因為這是一個非常小的數位,所以在絕大多數情況下都可以將其忽略不計,而我們普遍認為水不可壓縮,其原因就在於此。

1萬米的深海裡,其水壓高達100MPa,在如此高壓下,水的壓縮係數就不能忽略不計了,通過簡單的計算我們可以得出,在這裡水的體積會被壓縮大約4.74%,這是一個相當大的比例。既然水是可以壓縮的,那麼情況就變得有些複雜了,下面我們來分析一下。

簡單思考一下,在1萬米的深海裡,用鋼瓶裝滿水後密封,密封後的鋼瓶會被壓癟嗎?很明顯,鋼瓶是不會發生任何變化的。這就說明了鋼瓶的內外都受到了同樣大小的力,現在問題就來了,鋼瓶密封後,其內部就不再具有外部的水壓,那麼在鋼瓶的內部,是什麼力在與鋼瓶外部的水壓抗衡的呢?答案就是水分子之間的分子作用力。

需要指出的是,分子作用力的本質是電磁力,既然是電磁力,那麼分子作用力就會表現出同種電荷相斥,異種電荷相吸的特性,而因為水分子是極性分子(正負電荷的中心不重合的分子),所以在水分子之間既有吸引力,也有排斥力,其具體變化如下圖所示。

圖中的橫坐標 r 代表水分子間的當前距離,r0 代表水分子間的標準距離,我們可以看到當水分子間的距離小於 r0 時,它們之間的分子作用力表現為斥力,而且距離越近,斥力越大。

前面已經提到水是可以壓縮的,因此在1萬米的深海裡的水分子之間的距離,會比水分子間的標準距離小一些,這時水的分子作用力就表現為斥力,它阻止了水被進一步壓縮,同時又試圖將水分子之間的距離擴張到標準距離。

在鋼瓶裝滿水後未被密封時,水的分子作用力是由水壓來平衡的,而當我們將鋼瓶密封後,由於鋼瓶的內部不再具有水壓,水的分子作用力就直接作用在鋼瓶內部的瓶壁上了。在這種情況下,因為水的分子作用力的強度是與水壓相等的,所以鋼瓶也就不會被壓癟了。

我們也可以看到,鋼瓶被密封後,作用於鋼瓶內外的力就失去了聯繫,這就意味著,從鋼瓶被密封的那一刻起,鋼瓶內部的壓力大小就與外部的水壓完全沒有了關係。那這是不是說明,當我們把這個鋼瓶撈上來時瓶內依然是高壓呢?

當鋼瓶撈上來後(不考慮其中過程),其外部所受的水壓也就沒有了,鋼瓶只受到來自內部的分子作用力。我們已經知道,雖然這個力非常大,但是它的目的只是將水分子之間的距離擴張到標準距離,而且會隨著分子間距離的增加而減小,也就是說,在這種情況下,只需要鋼瓶發生很小的形變(大約是小於或等於其體積的4.74%),就可以減小甚至是完全釋放出其內部的壓力了。

就像氣球一樣,在彈性限度內,幾乎所有的物體都會隨著應力的大小而發生應變,在材料力學中,我們把應力與應變的比值,稱之為「楊氏模量」,它是標誌材料剛性的一種指標,一個物體的楊氏模量越大,就越不容易發生形變。

有了以上的認識,現在我們就可以給出這個問題的答案了,在1萬米的深海裡,用鋼瓶裝滿水後密封,撈上來時瓶內的壓力是與這個鋼瓶的材料密切相關的,總的來講,鋼瓶材料的楊氏模量越大,瓶內的壓力就越高,而假如這個鋼瓶材料的楊氏模量是無窮大(絕對剛體),那麼這個鋼瓶內就保持了1萬米深海裡的高壓。

 

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