水的冰点为0℃,沸点为100℃ 。水有三态,即固态、液态、气态 。就是水在0℃以下时为固态,0℃到100℃这个范围是液态,到了100摄氏度以上就会转化为气态了 。
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这只是水的一般性常识这也是比较早时期,人们认知的物质仅有的三态 。但这只是水在特定条件下的状态,这个特定条件,就是在一个大气压环境下,脱离这个环境,水的相变温度就不是这样了 。
现在,人们认识的物质已经有了七态,即除了气态、液态、固态等三态,还增加了等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态、电子简并态、中子简并态等四态 。这些物态不是本文讨论的话题,这里就不展开说了 。
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现在就来说说水的三态相变条件,在不同气压环境下,相变温度就会发生变化,前面的那些常识就不再是常识了 。水只是在一个大气压条件下,0℃以下才会结冰,成为固态;0℃以上才会成为液态;而到了100℃才会蒸发成为水蒸气,也就是液态 。
脱离了一个大气压环境,相变温度就会发生变化 。
早在1990年1月1日开始,国际计量委员会推行采用新修订的国际温标,规定热力学温标(开氏温标,符号K)为国际统一温标,摄氏温标必须与热力学温标对应,0 K=-273.15℃,这样过去的摄氏温标就有了些许差异 。
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【有关水的沸点及其相关故事 关于水的沸点】严格说来,按照新的温标,水的沸点在1个标准大气压下的准确值为99.974℃ 。当然,与100℃相差的这点差异,在我们日常生活中可以忽略不计 。那么,1个标准大气压是多少?就是101325Pa(帕),也可以称为101.325kPa(千帕)或1013.25hPa(百帕) 。
在日常生活中,人们也常把1个大气压称为1公斤压力,以此类推 。
随着气压的改变,水的沸点也会变化水在不同的气压状态下,沸点是不同的,一般遵循气压越高,沸点越高,气压越低,沸点越低的逻辑 。为什么说一般呢?这是因为气压一旦到了极高或极低状态,水的相变就不是按照线性变化了,而会到达超临界状态 。
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在我们日常生活中,常用到高气压让沸点变高的方法 。如高压锅炖骨头,就是通过密闭,让锅内压力不断增高,从而让水的沸点升高,这样就更容易更快地将骨头炖烂 。
家用压力锅一般最大可承受2公斤压力,也就是两个大气压,即101325Pa*2=202625Pa 。在这样的压力下,水的沸点可达134℃;而为了保障家用安全,一般压力锅在使用时会保持在1个大气压以下,当锅内压力达到1个大气压时,水的沸点约120℃;一般家用压力锅的使用会在0.5~0.8个大气压之间,水的沸点约112~117℃ 。
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工业用锅炉一般可达4~8公斤压力,水的沸点可达150~170度,随便漏点气就可能伤到人,因此要十分注意锅炉安全 。
这里还要特别指出的是,水之所以会沸腾,是基于热胀冷缩原理 。在烧水时,壶底会出现一些小气泡,叫汽化核 。随着汽化核受热加大,就会不断上升,从而形成沸腾现象 。而在一些并非壶底加热的状态下,水又比较洁净,水里难以产生汽化核,加热过程虽然水温会持续上升,但超过100℃也不沸腾 。
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如水在微波炉里加热,没有汽化核,很容易超过沸点而不沸腾,这种水叫过热水(液体) 。随便往这种过热水中加入一些小颗粒,或任意搅拌一下,就相当突然产生了汽化核,会形成瞬间爆沸现象 。因此这里特别提醒,刚用微波炉加热的过热水,尽量放置一会再动用,以免造成人身伤害 。
特别高压状态下水的相变如果烧水容器一再加压,水温会随压力升高,沸点也不断线性升高吗?答案是否定的,这就是我前面说的不一般情况了 。
当压力一再增大,到达一个临界点,在这种压力状态下的水就不再沸腾了;压力再升高到一定程度,水不但不会沸腾,还会成为固体 。这就是水在压力状态下的相变 。
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这个临界点就是:当压力上升到约225个大气压时,水的沸点达到374.3℃,气压再增加,水温也不提升了,也无法沸腾了 。这是因为此时的饱和蒸汽和饱和水的比重相同,两种状态没有任何区别了,这种水被称为超临界水 。
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