水能同时沸腾与结冰吗?答案是可以

当水是固体时,它就是冰;当水是气体时,它就是蒸汽;当水是液体时,它就是水。可是如果我告诉你水可以同时具备这三种状态呢?你是不是觉得有违我们的常理认知,怎么可能?但我可以告诉你的是:科学无奇不有。


固液气

现在我们回顾一下所学的物理知识。固体、液体、气体是物质所存在状态的三种方式,在常识中,对于水来说,我们认为固体→液体→气体,条件是温度的上升(达到熔点或沸点) ;气体→液体→固体,条件是温度的下降(达到熔点或沸点) ;但在温度急剧下降的时候,气体可凝华成固体,温度急剧上升的时候,固体可升华成气体。在这三种状态互相转化的过程中,我们可以看出水最多也就是两种状态共存,那么三种状态呢?这时候就得引出一个将不可能变为可能的重要概念-三相点。

三相点

三相点是指在热力学里,可使一种物质三相(气相,液相,固相)共存的一个温度和压强的数值。所谓相,是指在某一系统中,具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分。各相之间有显明的界面,如有冰、水组成的混合物,冰是一个相,水又是一个相,共有两个相。而酒精可以溶解于水,水和酒精的混合物却只有一个相。


水的三相点用于制定热力学的国际单位制基本单位之一的热力学温标定义,在0.01℃和610.75Pa 出现,(作为参考,一个标准大气压是101325Pa)。在此条件下,沸腾的液体使高能分子以气体的形式上升,进而降低沸腾液体的温度并使其冻结,只要保持在那个三相点温度和压力,这个循环就会继续。

奇怪但有用

当了解一个物质的三相点不仅让人觉得很酷还令人振奋,当然这不仅仅是一个打破直觉的科学实验,在现实生活中它大有用处。水三相点既是热力学温度的唯一基准点,也是1990年国际温标(ITs一90)定义的最基本的、极其重要的固定点;碳酸乙烯酯的三相点温度为36.315°C,接近体温,使其成为临床温度计校准的一个非常有用的参考点;而苯甲酸的三相点温度为122.33°C,接近医疗滴液的消毒温度。

生活扩展

当你在咖啡或巧克力的热饮中加冰,然后看着冰融化蒸汽上升时,你会看到三种状态共存。如果你在空的苏打瓶中通过冷冻水来制冰,加水,然后吹它产生蒸汽,你也可能会看到三种状态共存。但不同的是, 

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