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。 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。 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。 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。 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℃。 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。 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。 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。 当压力大于1~10万个大气压，也就是1平方米水面有1000万吨~1亿吨的压力时，这些水就不会再以液态存在，而是以固态存在了。但这个固态已经不是我们常见的“冰”了，而是密度更高的特殊冰。 随着压力的加大，当到达1000万个大气压时，水就会转变为金属态；压力再大，达到4.5亿个大气压，任何物质的分子结构都会被破坏了，原子也压扁了，包括水，都会成为像白矮星那样的电子简并态物质；当压力达到10^28个大气压，也就是1万亿亿亿个大气压时，任何物质，包括水，都会变成中子星的中子简并态物质。 当然，这些都是在地球条件下无法做到的，但科学家们已经在实验室，通过采用激光轰击的办法，在微观层面达到相当地球核心的大气压力，也就是300~400万个大气压强，从而得到了除自然冰以外的18种冰的形态，这些都属于水的相变形态，因此可以说水的形态有21种之多。 好了，以上说的都是在压力不断增大情况下，水会变成什么样子，尤其是水的沸点变化。下面我们再说说减压状态下水的沸点变化。 在压力递减的状态下，水的沸点会越来越低 水的沸点会随着气压的降低而降低，但也不是一直呈现这种线性关系，到达一个阈值，这种变化就会戛然而止。但这个临界点是以温度为界限的。今天就不展开说这个了。 在航空医学上有一个阿姆斯特朗极限，是指在距地表约18900~193500米高度时，大气压低至6.3kPa时（约0.062个标准大气压），水的沸点为37℃，约与人的体温相当。因此，这个高度是人类的禁区，在这个高度若无保护，人的体液就会沸腾。 体液沸腾是个什么感受呢？就是你全身的水都开了，眼泪、鼻涕、口水、汗液、血液、尿液等都会沸腾起来，气体就更会膨胀。因此专家告诫人们，在这种环境下千万别憋气，否则就会导致肺泡胀裂。 在这个状态下，首先人体内的所有气体都会迅速往外冲，如果还没有昏迷的话，此人就能够听到自己上下一切排气的空洞，呼啦啦的往外喷气，那种噪音可比平时的放屁大多了。眼泪鼻涕汗液皮肤水分会迅速升华，如果血液尿液沸腾起来，人就会全身胀裂而死。 好在血液等大部分体液，受到人体组织腔体的包裹加压，这样一下子就不会沸腾起来。但体表和结膜等松散结缔组织的体液，还是会迅速沸腾，因此会眼球突出冒血，鼻孔嘴巴飞血等恐怖状况，皮肤渗液，人体也会迅速肿胀起来。 如果不能尽快脱离这种环境，人就会很快死亡，并迅速脱水成为一具干尸。 气压越低，这种现象就越严重。因此，宇航员们在太空执行任务，如果脱离了压力保护暴露在真空环境，首先不是会被憋死，而是会被体液沸腾胀裂而死。 历史上几个真空暴露的案例 人类高空跳伞的最高纪录是3.9万米高度，这个记录由奥地利极限运动员菲利克斯·鲍姆加特纳，于2012年10月15日创下，一直保持至今；而在其之前创下记录的是美国军官约乔·基汀格，他在1960年从31300米高度的氦气球上跳下。 他们的跳伞高度都在阿姆斯特朗极限之上很多，因此没有保护必死无疑。为了应对低气压导致的体液沸腾和缺氧，他们跳下前都穿有类似航天服的抗压供氧服。他们的跳伞都很成功，但基汀格的那一跳出了些状况，差点导致生命危险。 原因就是在下落时，基汀格抗压服的右手手套失去密封，瞬间暴露在接近真空环境。基汀格感到右手一阵剧痛，很快右手迅速肿大到有平时的两倍。幸好肿胀的手堵住了抗压服的漏气，他又是以接近音速自由落体，很快到达了对流层，气压逐步增高，随后开了伞，很快安全着陆。不久，他肿胀的手也恢复了常态。 1965年，NASA在航天中心的一次真空舱实验中，一位叫Subject的舱内实验者，身上的宇航服突然漏气，全身暴露在极低气压中，仅14秒，Subject就失去了意识。工作人员发现异常后迅速给真空舱充气，当气压达到海拔5000米水平时，Subject恢复了意识。他说，自己记得的最后一件事，是舌头上的口水沸腾了。 这些都是没有发生恶性后果的事件，而导致无法挽回悲剧的是，发生在1971年6月30日的航天事件。这一天，前苏联三名完成任务的宇航员，乘坐联盟11号宇宙飞船返回舱进入大气层，他们根本没想到，等待他们的是迅速死亡。 这三位宇航员分别是：指令长格奥尔基·多勃罗沃利斯基，实验工程师维克托·帕查耶夫和飞行工程师弗拉季斯拉夫·沃尔科夫。 他们在礼炮号空间站停留了23天又18小时多，完成了一系列观测和实验任务后，于6月29日下午9时，离开礼炮号返回。但在返回舱，3人都没有穿航天服。他们在轨道上飞行了4个多小时，一边与地面联系，一边等待脱离轨道舱的时机。 6月30日1点35分，飞船按程序启动制动火箭，降低轨道再入大气层。这时需要按程序执行返回舱与轨道舱分离，问题就出在这里，分离过程的爆炸螺栓本应先后引爆，但却同时引爆了，这样导致了返回舱的换气阀门被震开。 此时返回舱高度为168千米，舱内开始失压。仅仅几秒钟，舱内气压即降到了致命的程度，他们发现了这个要命的问题，但气阀位于帕查耶夫座椅下方，他赶紧解开自己固定带，企图设法堵上真空管，其他两人由于空间太窄，眼睁睁看着却无法挤过来帮忙，因此根本没有办法在30秒内关闭这个漏洞。 40秒后，返回舱的生物传感装置就显示出，这几位刚才还鲜活的生命就没有了生命迹象，仅仅40秒；212秒后，舱内气压降为零。 返回程序依然自动执行，降落伞如期打开，返回舱安然落地，但送回的是三具宇航员尸体，死因是失压导致的体液沸腾。这次教训除了机械故障，还有宇航员返回没穿航天服，导致失压后没有保护，完全暴露。 那时的返回舱太狭小，航天服太臃肿，因此前苏联航天有规定，宇航员返回前必须脱掉宇航服。这次事故导致分管航天的将军被撤职查办，一些制度规程被更改。从此，全世界都严格规定，宇航员在上升时和返回时都必须穿上航天服。 这些故事告诉我们，在低气压环境，暴露是十分危险的。也诠释了水在各种环境的性质和形态，沸点是随气压环境而变得。欢迎讨论，感谢阅读。 时空通讯原创版权，侵权抄袭是不道德的行为，敬请理解合作。
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