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在科技允许的情况下,一个完全密封的盒子中装满水,使盒子的体积不断缩小,会发生什么? 第1页

  

user avatar   Dr.ziqian 网友的相关建议: 
      

这个问题涉及的内容不少,我们慢慢道来。

盒子体积慢慢缩小,也可以认为是外加的压力不断增大。而这样的一个过程和天文中的恒星的演化有着一定的相似性。恒星从最开始的星云在引力的作用吸引到一起进而发生反应,不过恒星的演化是和恒星的质量有关系的,而此处对水的压缩可以看作是一个超大质量,或者说远大于太阳质量的恒星的演化。因此,以下的部分过程我会参考恒星的演化过程进行分析。(由于本人不是主修天文的,错误在所难免,欢迎各路大神批评指正)。

1、在第一个阶段,水分子结构还能维持住的阶段,这个阶段主要是经典的热力学过程。我们先看一下水的相图

原图链接)图中横坐标是温度,纵坐标是压强。

从上图中可以看到,水有三种相结构,分别是气态、液态和固态,这个大家都知道,但是对于固态,却存在着多种不同的晶格结构。如果我们缓慢的缩小盒子,则相当于逐渐增加压强,当然还有温度这个变量,为了简便起见,不妨假设此时盒子与一个恒温源接触,也就是说水的温度保持不变。那么由水的三相图很容易的看出,只让压强增加,水的相点竖直向上移动,一定是会移动到固态相中的。

第一阶段:水由液态变为固态。这个过程水放出热量,但是由于水的压缩比很小,实际上盒子的体积几乎没有什么变化。

2、水分子是由氢原子和氧原子构成的。此时,我们类比恒星的演化,盒子不在与恒温源接触,而且假设压缩的速度比较快,内部热量传到外面比较慢。此时随着压缩的继续,水的温度会上升,当升高的一定程度后,水分子的动能非常大,已经远大于氢氧化学键的能量了。此时我们不考虑化学能或者说电磁能(不知道这样是否正确)。随着温度的升高,氢原子之间会发生核聚变反应生成氦元素。氦原子核有四个核子,氢原子核只有一个核子,因此这个过程伴随着体积的减小,假设氢原子和氧原子的半径相近,则体积变为:

,

同时伴随着大量的热量的释放。剩下的物质已经不能叫做水了,应该是氦和氧的混合物。不过氦元素不容发生反应,猜测结果是固态氦和固态氧的混合物。这个过程相对稳定,对应于恒星演化的主序星阶段。

第二阶段:体积减小,逐渐降为二分之一,释放大量热量。

3、体积进一步压缩,温度再次升高,进而使得氦发生核反应。这个过程会逐渐的产生更重的元素,比如碳以及氧,由于碳和氧的原子核中核子数较多,因此体积会减小的更多。此时对应恒星的“氦闪”。这个阶段相对于第二阶段迅速短暂,当然,不同于恒星,这地方是放在盒子里,因此不会有“红巨星”出现。为了简便,我们可以认为最终就只有碳和氧了。

第三阶段:体积大大减小,放出大量热量。

4、在上一阶段结束后,体积已经小了很多了,根据恒星这个阶段,也就是白矮星,物质的密度已经达到了 ,可以说密度是相当大了。此时继续加压,进而会发生更进一步的核反应,具体细节就不表了,最终就是全部聚变为铁,生成一块铁疙瘩。恭喜题主,点水成铁。

第四阶段:变成一块铁疙瘩。

5、此时再继续加压压缩,铁原子外面的电子的简并压已经无法抵挡这股压力了,被压入原子核。我们知道,电子是费米子,满足泡利不相容原理,原子核外的每个电子“轨道”上只能有两个电子(因为电子可以处于两种不同的自旋态),在宏观上看,就相当于电子之间有一股排斥力,对外形成一个压力,就叫做简并压。

原子核有质子和中子构成,质子带正电,中子不带电。被压入原子核的电子与质子反应变成中子,因此原子核变成完全由中子构成的物质了。本来由于电磁排斥而保持距离的原子此时变成一堆聚在一起的中子,当然由于中子之间还有强相互作用,因此也会保持一定的距离,但是这个过程体积大大减小。一般原子的半径为 的量级,而原子核为 ,因此这个过程水的体积骤降 倍!!!这是一个什么意义呢?直观的说,假如最开始这个盒子和地球一样大,地球的半径为 ,则这样压缩后变为一个半径为 的球!

此时,就是一个完全由中子构成的一坨物质,在天文学上有一种天体就是这样的,就是传说中的中子星

第五阶段:体积骤降 倍,变成一坨完全由中子构成的物质。

6、对中子球再进行压缩就变成黑洞了!这就是整个压缩过程的终点了。

第六阶段:形成黑洞。压缩终止。

对于恒星的演化我们可以参考下图:

此图来自于知乎回答:


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