为啥把水加热到105℃时,水会结冰?科学家有什么结论?

如题所述

为啥把水加热到105℃时,水会结冰?科学家有什么结论?

水的最高温度毫无疑问不止一百℃,在很多人的记忆中,水的最高温度只可以到达一百℃,超出这一温度,那么水便会由液体转变成水蒸汽,实际上,这样的认知并不正确,这是因为当外界的环境变化时,水的温度也会产生变化,例如在高海拔上使用热水壶烧水时,就算是水烧开了,也达不到一百℃,最高只有80℃上下。

有关于水的特点大家早已经耳熟能详,不过科学工作者发现了水的一个反物理属性,水在105℃的持续高温下竟然会发生结冰,这一发现也让许许多多的专家学者们跌破了眼镜,而之所以能够发生这类状况,主要是因为这一些水是放入碳纳米管理的,因而这些水并不会随着温度的增加蒸发掉,通过再度加温后,便可以轻松的使水的温度到达105℃,这时候水便会奇迹般的发生结冰了。

研究发现,多个水分子积聚在密封的纳米管里时,加温之后变化了水分子间的结构特征,造成水分子发生了重新组合的情况,从而极大幅度的提升了水的冰点,因而就有了持续高温下发生结冰的情况,大家应该都知道,水在一百℃时会烧开,在0摄氏度时会发生结冰,在标准大气压下,水最高就只可以加温到一百摄氏度,到达该温度后,不管再怎么加温其温度都没法再升高,假如想要让水的沸点提升,那么就只能够通过变化大气压强来变化沸点了,要知道的是,在标准大气压下,水的沸点是一百℃,假如水被加温到了一百℃,并且持续加温的情况下,水的温度并不会提升,而水也会慢慢转变成水蒸汽挥发掉。

水的温度到达105℃后,这些水由于没法从液体转化为气态,其内部结构的能量就没法释放出来,因为没有释放的渠道,这些分子就会重组,为此才会凝成“冰”,请相信我,这类“冰”并不是大家所耳熟能详的“冰”更不是大冬天大自然环境下因为低温形成的冰,它仅仅是某种结晶物罢了,毕竟它是在105℃下产生的,它和0摄氏度以下所产生的冰还是有着非常大的差距的。

水的另一个反物理属性大家都知道,那便是热缩冷胀,在地球上,人类文明已知的所有物品都会热涨冷缩,而水在温度减少的时候反而会发生结冰,冰的体积比水能大,正是因为这一反物理属性,水在发生结冰之后会漂浮在湖面而不是沉入水底,假如冰会沉入水底的话,一整个地球都会转变成一个冰封的世界,就不太可能有生命出现了。

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第1个回答  2021-06-15

在我们一般的认知中,水有三种状态:固态(冰)、液态(水)、气态(水蒸汽)。而一般情况下,水会在100摄氏度时就会汽化,成为水蒸汽,这也是常识性的东西了。


那说水在105摄氏度时会结成冰,那不是违反了物理定律了么?

105摄氏度时确实出现了水结成冰的现象,但是这个是有条件的,而且这时候结成的冰和日常我们所说零度时的固态冰并不一样,这时结成的是晶并不是冰。

详细得看一下这个实验了。

这项研究应该是2018年年国外科学团队发现的,当把直径只有1.8纳米的管状碳纳米管放入盛满水的容器中时,让直径只有0.5纳米的单个水分子进入这个纳米管中,然后加热至105摄氏度时竟然出现了纳米管凝固被堵塞,并且这个凝固现象中实际上其中的水分子温度并没有降低,但水分子却形成了和冰结构类似的固体。

这一现象也一反常态,水加热是不可能会凝固或者结冰的,但是在某种特性的情况:几个水分子和狭小的纳米容器内可以实现,但目前还并不清楚,这个凝固的状态和碳纳米管本身有没有发生反应。


那类似的反物理现象还有没有其他的例子呢?

光学黑洞
顾名思义,所有的光在遇到这个器件的时候,都有去无回。
光学黑洞实际上是用电磁材料来控制电磁波的路径,来模拟光掉进黑洞时的路径变化。从这个角度来说还是挺有意思的。



负折射率材料
负折射率材料在上个世纪还一直以为是不存在的,现在都造出来了。一般实现负折射介质是采用超材料,当然光子晶体也是可以的。


如果对超材料感兴趣可以点击这里,我对它做了比较详细的介绍:
地铁内超高速 Wi-Fi 中的超材料到底是什么,怎样 「剪裁」电磁波?

负折射率材料有很多反直观的特性,比如逆契伦科夫辐射。
什么是契伦科夫辐射?
契伦科夫辐射一般来说是物体运动速度大于介质里面波的传播速度。这里的波可以是电磁波,声波,水波等。

所以摩托艇在水面滑行产生的水纹就是契伦科夫辐射。飞机超音速飞行时引发的音爆也是由于契伦科夫辐射。




在电磁波中:
对于折射率为2的介质,电磁波的极限速度为0.5c(c是电磁波在真空中的速度),如果一个高能粒子以0.6c的速度射入这种介质,就会产生所谓的契伦科夫辐射。所以应该是这样的:



注意,在这里能量传播方向跟波的传播方向相同。


如果将材料替换为负折射率材料,那么很神奇的事情发生了:



可以看到能量传播方向跟波的传播方向正好相反。


还有逆多普勒效应,就是电磁波波源离你远去的时候,你发现它的频率在增加。

利用负折射率材料还可以制作完美的透镜,电磁波携带的所有的信息都可以恢复,没有衍射极限的问题了,也就是超透镜。

光子晶体
光子晶体是模拟固体物理中的晶体得到的。这就很神奇了,它跟晶体一样有禁带。
首先看看光子晶体怎么实现,它是这样的:



蓝色的普通的介质,比如介电常数为8的材料,其他的是空气。
照理来说,这种材料是不可以完全阻挡电磁波传播的,但是如果它排成这种周期结构,在某些频率下,它就可以禁止电磁波传播。所以就可以用来束缚电磁波,做成波导:



有人问这东西有什么用,波导不是可以用金属来做吗。但是在光频道,金属就不再是金属了,它们变成了普通的介质。所以光子晶体具有做光器件的潜力。它还可以做成三维的,就变成了类似光纤的东西。注意它跟光纤不一样,光子晶体是在亚波长尺度调控光波。

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第2个回答  2020-08-07

众所周知,水在100℃时会沸腾,在0摄氏度时会结冰。在标准大气压下,水最多就只能加热到100摄氏,达到该温度后,无论再怎么加热其温度都无法再上升。如果想要让水的沸点提高,那么就只能通过改变大气压强来改变沸点了。那么,大家是否想过,如果水被加热到了100℃以上,水会发生什么变化呢?科学家做出实验,结果让人意外!


要知道的是,在标准大气压下,水的沸点是100℃。如果水被加热到了100℃,并且持续加热的话,水的温度并不会提高,而水也会慢慢变成水蒸气。据了解,有科学家曾做过一个非常有意思的实验,那就是将水加热到105℃。那么,水加热到105℃时会发生什么呢?


科学家们为了保证水分子的稳定性,特意使用了一种名叫纳米管的材料,这是一种极为昂贵的新型材料,有着极为优秀的导电和导热性。实验开始之后,科学家们将水放入了纳米管中,并且不断加热。当水的温度来到100℃时,水开始由液态变为气态,但是由于纳米管的密封性很强,所以水分并没有挥发。随后,科学家便开始调节压强,紧接着水的温度就上升到了105℃。让人意外的是,水的温度达到105℃后居然“结冰”了。


科学家们认为,水的温度达到105℃后,这些水由于无法从液态转化为气态,其内部的能量得到无法释放,所以才会结成“冰”。当然了,这种“冰”并不是我们所熟知的“冰”,它只是一种结晶体罢了,毕竟它可是在105℃形成的,它和零摄氏度以下所形成的冰还是有很大差距的。


对此,你有什么看法呢?

第3个回答  2020-08-08
水的温度达到105℃后,这些水由于无法从液态转化为气态,其内部的能量得到无法释放,所以才会结成“冰”。这种“冰”并不是我们所熟知的“冰”,它是一种结晶体,毕竟它可是在105℃形成的,它和零摄氏度以下所形成的冰还是有很大差距的。利用水的这一特性,科学家可以在航天等领域使用不同直径的碳纳米管,增加航天发射的安全性。
第4个回答  2020-08-12
科学家们认为,水直接加热到105℃后,由于无法快速从液态转化为气态,将内部的能量释放,所以才会结成“冰”。这种“冰”并不是我们所熟知的“冰”,它是另一种水的结晶体,和零摄氏度以下所形成的冰还是有很大差距的。
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