在1万米的深海里用钢瓶装满水后密封,捞上来时还有高压吗?

海洋的深度每增加10米,就会增加大约一个大气压,在1万米的深海里,其水压可达到大约1000个大气压(100MPa)之高,深海的恐怖之处主要就在于此。想象一下,假如我们把这里的处于高压状态的海水,用一个容器(比如说钢瓶)密封起来,那么当这个容器被捞上来时,容器内的压强会有什么变化呢?

简单地讲就是,在1万米的深海里,用钢瓶装满水后密封,捞上来时瓶内还有高压吗?

一般来讲,我们都会认为水是不可压缩的,它的体积不会随压力的大小而发生改变,1万米的深海里,水只是充当传递深海压力的介质,因此可以认为,将钢瓶捞上来时,钢瓶内并没有高压存在。

然而这是错误的看法,事实上水是可以压缩的,数据显示,在常温下水的压缩系数约为 4.74 x 10^-10 平方米/牛顿,因为这是一个非常小的数字,所以在绝大多数情况下都可以将其忽略不计,而我们普遍认为水不可压缩,其原因就在于此。

1万米的深海里,其水压高达100MPa,在如此高压下,水的压缩系数就不能忽略不计了,通过简单的计算我们可以得出,在这里水的体积会被压缩大约4.74%,这是一个相当大的比例。既然水是可以压缩的,那么情况就变得有些复杂了,下面我们来分析一下。

简单思考一下,在1万米的深海里,用钢瓶装满水后密封,密封后的钢瓶会被压瘪吗?很明显,钢瓶是不会发生任何变化的。这就说明了钢瓶的内外都受到了同样大小的力,现在问题就来了,钢瓶密封后,其内部就不再具有外部的水压,那么在钢瓶的内部,是什么力在与钢瓶外部的水压抗衡的呢?答案就是水分子之间的分子作用力。

需要指出的是,分子作用力的本质是电磁力,既然是电磁力,那么分子作用力就会表现出同种电荷相斥,异种电荷相吸的特性,而因为水分子是极性分子(正负电荷的中心不重合的分子),所以在水分子之间既有吸引力,也有排斥力,其具体变化如下图所示。

图中的横坐标 r 代表水分子间的当前距离,r0 代表水分子间的标准距离,我们可以看到当水分子间的距离小于 r0 时,它们之间的分子作用力表现为斥力,而且距离越近,斥力越大。

前面已经提到水是可以压缩的,因此在1万米的深海里的水分子之间的距离,会比水分子间的标准距离小一些,这时水的分子作用力就表现为斥力,它阻止了水被进一步压缩,同时又试图将水分子之间的距离扩张到标准距离。

在钢瓶装满水后未被密封时,水的分子作用力是由水压来平衡的,而当我们将钢瓶密封后,由于钢瓶的内部不再具有水压,水的分子作用力就直接作用在钢瓶内部的瓶壁上了。在这种情况下,因为水的分子作用力的强度是与水压相等的,所以钢瓶也就不会被压瘪了。

我们也可以看到,钢瓶被密封后,作用于钢瓶内外的力就失去了联系,这就意味着,从钢瓶被密封的那一刻起,钢瓶内部的压力大小就与外部的水压完全没有了关系。那这是不是说明,当我们把这个钢瓶捞上来时瓶内依然是高压呢?

当钢瓶捞上来后(不考虑其中过程),其外部所受的水压也就没有了,钢瓶只受到来自内部的分子作用力。我们已经知道,虽然这个力非常大,但是它的目的只是将水分子之间的距离扩张到标准距离,而且会随着分子间距离的增加而减小,也就是说,在这种情况下,只需要钢瓶发生很小的形变(大约是小于或等于其体积的4.74%),就可以减小甚至是完全释放出其内部的压力了。

就像气球一样,在弹性限度内,几乎所有的物体都会随着应力的大小而发生应变,在材料力学中,我们把应力与应变的比值,称之为“杨氏模量”,它是标志材料刚性的一种指标,一个物体的杨氏模量越大,就越不容易发生形变。

有了以上的认识,现在我们就可以给出这个问题的答案了,在1万米的深海里,用钢瓶装满水后密封,捞上来时瓶内的压力是与这个钢瓶的材料密切相关的,总的来讲,钢瓶材料的杨氏模量越大,瓶内的压力就越高,而假如这个钢瓶材料的杨氏模量是无穷大(绝对刚体),那么这个钢瓶内就保持了1万米深海里的高压。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`

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页面更新:2024-04-24

标签:钢瓶   万米   来时   斥力   水压   作用力   深海   高压   分子   距离   压力   水分子

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