Điểm đóng băng của nước là 0℃ và điểm sôi là 100℃. Nước có ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Nghĩa là, nước sẽ chuyển sang trạng thái rắn khi nhiệt độ dưới 0℃, chuyển sang trạng thái lỏng khi nhiệt độ từ 0℃ đến 100℃ và chuyển sang trạng thái khí khi nhiệt độ trên 100 độ C.
Đây chỉ là hiểu biết thông thường về nước.
Đây cũng là ba trạng thái vật chất duy nhất mà con người biết đến vào thời kỳ đầu. Nhưng đây chỉ là trạng thái của nước trong những điều kiện cụ thể. Điều kiện cụ thể này là môi trường áp suất khí quyển. Nếu nước rời khỏi môi trường này, nhiệt độ thay đổi pha của nước sẽ không còn như cũ nữa.
Hiện nay, mọi người đều biết rằng vật chất có bảy trạng thái, nghĩa là ngoài ba trạng thái khí, lỏng và rắn, còn có thêm bốn trạng thái nữa: trạng thái plasma, trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein, trạng thái ngưng tụ fermion, trạng thái suy biến electron và trạng thái suy biến neutron. Những trạng thái vật lý này không phải là chủ đề của bài viết này, vì vậy tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết ở đây.
Bây giờ chúng ta hãy nói về các điều kiện chuyển pha của ba trạng thái của nước. Trong các môi trường áp suất không khí khác nhau, nhiệt độ chuyển pha sẽ thay đổi và quan niệm thông thường nêu trên không còn đúng nữa. Nước chỉ đóng băng và trở nên rắn ở nhiệt độ dưới 0℃ dưới một áp suất khí quyển; nó chỉ trở thành chất lỏng khi nhiệt độ trên 0℃; và nó chỉ bốc hơi thành hơi nước ở nhiệt độ 100℃.
Khi ra khỏi môi trường áp suất khí quyển, nhiệt độ chuyển pha sẽ thay đổi.
Ngay từ ngày 1 tháng 1 năm 1990, Ủy ban Cân đo Quốc tế đã thúc đẩy việc thông qua thang nhiệt độ quốc tế mới được sửa đổi, quy định rằng thang nhiệt độ nhiệt động lực học (thang Kelvin, ký hiệu K) là thang nhiệt độ thống nhất quốc tế và thang nhiệt độ Celsius phải tương ứng với thang nhiệt độ nhiệt động lực học, 0 K = -273,15℃, do đó thang nhiệt độ Celsius trước đây có một số điểm khác biệt.
Nói một cách chính xác, theo thang nhiệt độ mới, nhiệt độ sôi của nước ở áp suất chuẩn 1 atm chính xác là 99,974℃. Tất nhiên, sự khác biệt nhỏ này so với 100℃ có thể bị bỏ qua trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Vậy, 1 atm chuẩn là bao nhiêu? Đơn vị này là 101325Pa (Pascal), còn được gọi là 101,325kPa (kilopascal) hoặc 1013,25hPa (hectopascal).
Trong cuộc sống hàng ngày, người ta thường ví 1 atm áp suất là 1 kilôgam áp suất, v.v.
Khi áp suất không khí thay đổi, nhiệt độ sôi của nước cũng thay đổi
Điểm sôi của nước khác nhau ở các điều kiện áp suất không khí khác nhau. Nhìn chung, logic này tuân theo nguyên lý áp suất không khí càng cao thì nhiệt độ sôi càng cao và áp suất không khí càng thấp thì nhiệt độ sôi càng thấp. Tại sao bạn lại nói điều đó thường đúng? Điều này là do khi áp suất không khí đạt đến trạng thái cực cao hoặc cực thấp, sự thay đổi pha của nước sẽ không thay đổi tuyến tính mà sẽ đạt đến trạng thái siêu tới hạn.
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường sử dụng áp suất cao để tăng nhiệt độ sôi. Ví dụ, khi hầm xương trong nồi áp suất, áp suất trong nồi liên tục được tăng lên bằng cách đậy kín, do đó làm tăng nhiệt độ sôi của nước, giúp hầm xương dễ dàng và nhanh hơn.
Nồi áp suất gia dụng thường có thể chịu được áp suất tối đa là 2 kg, tức là 2 atm, tức là 101325Pa*2=202625Pa. Dưới áp suất như vậy, nhiệt độ sôi của nước có thể đạt tới 134°C; Để đảm bảo an toàn cho gia đình, nồi áp suất thường được giữ ở nhiệt độ dưới 1 atm khi sử dụng. Khi áp suất trong nồi đạt tới 1 atm, nhiệt độ sôi của nước khoảng 120°C; nồi áp suất gia dụng thông thường được sử dụng ở mức từ 0,5 đến 0,8 atm, và nhiệt độ sôi của nước là khoảng 112 đến 117°C.
Lò hơi công nghiệp thường có thể đạt áp suất từ 4 đến 8 kg và nhiệt độ sôi của nước có thể đạt tới 150 đến 170 độ. Bất kỳ sự rò rỉ khí nào cũng có thể gây thương tích cho người, vì vậy cần phải hết sức chú ý đến sự an toàn của lò hơi.
Cần lưu ý ở đây rằng lý do nước sôi là dựa trên nguyên lý giãn nở và co lại vì nhiệt. Khi nước sôi, một số bong bóng nhỏ sẽ xuất hiện ở đáy ấm, được gọi là hạt nhân bốc hơi. Khi các hạt nhân bay hơi được đun nóng, chúng sẽ tiếp tục bốc lên, do đó hình thành nên hiện tượng sôi. Trong một số điều kiện mà đáy ấm không được đun nóng, nước tương đối sạch và khó tạo ra hạt hơi trong nước. Mặc dù nhiệt độ của nước sẽ tiếp tục tăng trong quá trình đun nóng nhưng nước sẽ không sôi khi nhiệt độ vượt quá 100°C.
Nếu đun nước trong lò vi sóng, sẽ không có hạt nhân bốc hơi và nước dễ vượt quá nhiệt độ sôi mà không sôi. Loại nước này được gọi là nước siêu nóng (nước lỏng). Nếu bạn thêm một số hạt nhỏ vào nước quá nhiệt này hoặc khuấy nó một cách ngẫu nhiên, các hạt nhân bốc hơi sẽ được tạo ra đột ngột, dẫn đến hiện tượng sôi tức thời. Do đó, chúng tôi muốn nhắc nhở bạn rằng nếu bạn vừa đun nước quá nhiệt trong lò vi sóng, bạn nên để một lúc trước khi sử dụng để tránh gây thương tích cho bản thân.
Chuyển pha của nước dưới áp suất cực cao
Nếu bình đun nước liên tục chịu áp suất, nhiệt độ của nước có tăng tuyến tính khi áp suất tăng không và điểm sôi có tiếp tục tăng tuyến tính không? Câu trả lời là không, đây chính là tình huống bất thường mà tôi đã đề cập trước đó.
Khi áp suất tăng liên tục và đạt tới điểm tới hạn, nước sẽ không còn sôi dưới trạng thái áp suất này nữa; khi áp suất tăng đến một mức độ nhất định, nước không những không sôi mà còn trở nên rắn. Đây là sự thay đổi pha của nước dưới áp suất.
Điểm quan trọng là: khi áp suất tăng lên khoảng 225 atm, nhiệt độ sôi của nước đạt 374,3°C. Nếu áp suất không khí tăng thêm nữa, nhiệt độ của nước sẽ không tăng và nước sẽ không sôi. Điều này là do trọng lượng riêng của hơi nước bão hòa và nước bão hòa lúc này là như nhau, không có sự khác biệt giữa hai trạng thái. Nước này được gọi là nước siêu tới hạn.
Khi áp suất lớn hơn 10.000 đến 100.000 atm, tức là có 10 triệu đến 100 triệu tấn áp suất tác dụng lên 1 mét vuông mặt nước thì nước sẽ không còn ở dạng lỏng nữa mà ở dạng rắn. Nhưng trạng thái rắn này không còn là "băng" thông thường mà chúng ta thấy nữa mà là một loại băng đặc biệt có mật độ cao hơn.
Khi áp suất tăng lên, đạt tới 10 triệu atm, nước sẽ chuyển sang trạng thái kim loại; nếu áp suất cao hơn, đạt tới 450 triệu atm, cấu trúc phân tử của bất kỳ chất nào cũng sẽ bị phá hủy, các nguyên tử sẽ bị dẹt, bao gồm cả nước, và sẽ trở thành vật chất thoái hóa electron giống như sao lùn trắng; Khi áp suất đạt tới 10^28 atm, tức là 1 nghìn tỷ atm, bất kỳ chất nào, kể cả nước, đều sẽ trở thành vật chất thoái hóa neutron giống như sao neutron.
Tất nhiên, điều này không thể đạt được trong điều kiện của Trái Đất, nhưng các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp bắn phá bằng tia laser trong phòng thí nghiệm để đạt được áp suất khí quyển tương đương với áp suất của lõi Trái Đất ở cấp độ vi mô, tức là áp suất từ 3 đến 4 triệu atm. Ngoài băng tự nhiên, họ đã thu được 18 loại băng khác nhau. Đây đều là những dạng chuyển pha của nước. Vì vậy, có thể nói rằng nước có tới 21 dạng.
Vâng, nội dung trên là tất cả về trạng thái của nước khi áp suất tiếp tục tăng, đặc biệt là sự thay đổi nhiệt độ sôi của nước. Tiếp theo, chúng ta hãy nói về sự thay đổi nhiệt độ sôi của nước khi áp suất giảm.
Khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi của nước sẽ ngày càng thấp hơn
Điểm sôi của nước sẽ giảm khi áp suất không khí giảm, nhưng không phải lúc nào cũng thể hiện mối quan hệ tuyến tính này. Khi đạt đến ngưỡng, sự thay đổi sẽ dừng lại đột ngột. Nhưng điểm quan trọng này bị giới hạn bởi nhiệt độ. Hôm nay tôi sẽ không đi sâu vào vấn đề này.
Trong y học hàng không, có một giới hạn Armstrong, có nghĩa là ở độ cao khoảng 18.900 đến 193.500 mét so với bề mặt trái đất, khi áp suất khí quyển giảm xuống còn 6,3 kPa (khoảng 0,062 áp suất khí quyển chuẩn), điểm sôi của nước là 37°C, tương đương với nhiệt độ cơ thể con người. Do đó, độ cao này là khu vực hạn chế đối với con người và nếu không được bảo vệ ở độ cao này, chất lỏng trong cơ thể con người sẽ sôi lên.
Cảm giác khi chất dịch trong cơ thể sôi lên là như thế nào? Toàn bộ nước trong cơ thể bạn sẽ sôi, nước mắt, nước mũi, nước bọt, mồ hôi, máu, nước tiểu, v.v. của bạn sẽ sôi, và khí sẽ nở ra nhiều hơn nữa. Do đó, các chuyên gia cảnh báo mọi người không nên nín thở trong môi trường như vậy, nếu không sẽ khiến phế nang bị vỡ.
Ở trạng thái này, đầu tiên tất cả các khí trong cơ thể con người sẽ nhanh chóng thoát ra ngoài. Nếu người đó chưa hôn mê, anh ta sẽ có thể nghe thấy tất cả các lỗ xả khí ở trên và dưới anh ta phun ra khí, và tiếng ồn này lớn hơn nhiều so với tiếng xì hơi bình thường. Độ ẩm trong nước mắt, nước mũi, mồ hôi và da sẽ nhanh chóng được làm ẩm. Nếu máu và nước tiểu sôi, toàn bộ cơ thể người đó sẽ vỡ tung và chết.
May mắn thay, hầu hết các chất dịch trong cơ thể, chẳng hạn như máu, đều được bao bọc và nén chặt bởi khoang mô của con người, do đó chúng sẽ không sôi đột ngột. Tuy nhiên, dịch cơ thể trong các mô liên kết lỏng lẻo như bề mặt cơ thể và kết mạc vẫn sôi nhanh chóng, gây ra những tình trạng kinh hoàng như mắt lồi, chảy máu mũi và miệng, và máu phun ra từ da. Cơ thể cũng sẽ sưng lên nhanh chóng do dịch tiết ra.
Nếu con người không thể thoát khỏi môi trường này càng sớm càng tốt, họ sẽ chết nhanh chóng và nhanh chóng bị mất nước thành xác ướp.
Áp suất không khí càng thấp thì hiện tượng này càng nghiêm trọng. Do đó, khi các phi hành gia thực hiện nhiệm vụ trong không gian và bị tách khỏi sự bảo vệ áp suất và tiếp xúc với môi trường chân không, họ sẽ không chết ngạt trước mà sẽ chết do chất lỏng trong cơ thể sôi và vỡ ra.
Một số trường hợp tiếp xúc chân không trong lịch sử
Kỷ lục nhảy dù cao nhất của con người là 39.000 mét. Kỷ lục này được thiết lập bởi vận động viên thể thao mạo hiểm người Áo Felix Baumgartner vào ngày 15 tháng 10 năm 2012 và vẫn được duy trì cho đến ngày nay. Kỷ lục trước đó được thiết lập bởi sĩ quan người Mỹ Joe Kittinger, người đã nhảy từ một khinh khí cầu heli ở độ cao 31.300 mét vào năm 1960.
Độ cao nhảy dù của họ cao hơn nhiều so với giới hạn của Armstrong, vì vậy nếu không được bảo vệ, họ chắc chắn sẽ chết. Để đối phó với tình trạng sôi dịch cơ thể và thiếu oxy do áp suất không khí thấp, họ đã mặc bộ đồ cung cấp oxy chịu áp suất tương tự như bộ đồ phi hành gia trước khi nhảy. Cả hai cú nhảy đều thành công, nhưng cú nhảy của Kittinger lại chệch hướng và suýt nữa khiến anh mất mạng.
Nguyên nhân là khi anh ấy rơi xuống, chiếc găng tay phải của bộ đồ chịu áp suất của Kittinger đã bị tuột ra và ngay lập tức bị tiếp xúc với môi trường gần như chân không. Kittinger cảm thấy đau nhói ở bàn tay phải, bàn tay này nhanh chóng sưng to gấp đôi bình thường. May mắn thay, bàn tay sưng tấy của anh đã chặn được lỗ rò khí trong bộ đồ chịu áp suất. Anh ta rơi tự do với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh và nhanh chóng đạt tới tầng đối lưu. Áp suất không khí dần tăng lên, sau đó anh mở dù và hạ cánh an toàn ngay sau đó. Chẳng mấy chốc, bàn tay sưng tấy của anh đã trở lại bình thường.
Năm 1965, trong một thí nghiệm buồng chân không tại trung tâm vũ trụ của NASA, bộ đồ du hành vũ trụ của một đối tượng tên là Subject đột nhiên bị rò rỉ, khiến toàn bộ cơ thể anh ta phải chịu áp suất không khí cực thấp. Chỉ trong vòng 14 giây, Đối tượng đã mất ý thức. Sau khi phát hiện ra điều bất thường, các nhân viên đã nhanh chóng bơm căng buồng chân không và khi áp suất không khí đạt đến mức 5.000 mét so với mực nước biển, Đối tượng đã tỉnh lại. Ông cho biết điều cuối cùng ông nhớ là nước bọt trên lưỡi ông đang sôi lên.
Đây đều là những sự cố không gây hậu quả nghiêm trọng, nhưng nguyên nhân dẫn đến thảm kịch không thể khắc phục này chính là sự cố không gian xảy ra vào ngày 30 tháng 6 năm 1971. Vào ngày này, ba phi hành gia từ Liên Xô cũ đã hoàn thành nhiệm vụ của mình và bay vào bầu khí quyển trên khoang trở về của tàu vũ trụ Soyuz 11. Họ không hề biết rằng cái chết đang chờ đợi họ.
Ba phi hành gia là: Chỉ huy Georgy Dobrovolsky, Kỹ sư thực nghiệm Viktor Patchayev và Kỹ sư chuyến bay Vladislav Volkov.
Họ ở lại trạm vũ trụ Salyut trong 23 ngày và hơn 18 giờ, hoàn thành một loạt các nhiệm vụ quan sát và thử nghiệm, rời Salyut và trở về lúc 9 giờ tối ngày 29 tháng 6. Nhưng trong khoang trở về, không ai trong số ba người mặc bộ đồ phi hành gia. Họ bay trên quỹ đạo trong hơn bốn giờ, liên lạc với mặt đất trong khi chờ cơ hội rời khỏi mô-đun quỹ đạo.
Vào lúc 1:35 sáng ngày 30 tháng 6, tàu vũ trụ kích hoạt tên lửa hãm theo chương trình đã lập trình, hạ thấp quỹ đạo và quay trở lại bầu khí quyển. Lúc này cần phải thực hiện quy trình tách nang hồi lưu và nang hốc mắt. Đây chính là nơi có vấn đề. Trong quá trình tách, các chốt nổ lẽ ra phải được kích nổ lần lượt, nhưng chúng lại phát nổ cùng lúc, khiến van thông gió của khoang hồi lưu bị rung mở.
Vào thời điểm này, khoang trở về đang ở độ cao 168 km và cabin bắt đầu mất áp suất. Chỉ trong vài giây, áp suất không khí trong cabin đã giảm xuống mức nguy hiểm đến tính mạng. Họ đã phát hiện ra vấn đề nghiêm trọng này, nhưng van khí lại nằm dưới ghế của Pachayev. Anh ta nhanh chóng tháo dây an toàn và cố chặn ống chân không. Hai người còn lại chỉ có thể đứng nhìn chứ không thể chen vào giúp đỡ vì không gian quá hẹp. Do đó, không có cách nào để đóng lỗ hổng này trong vòng 30 giây.
40 giây sau, thiết bị cảm biến sinh học của khoang hồi lưu cho thấy những sinh vật còn sống này không còn dấu hiệu của sự sống, chỉ trong vòng 40 giây; 212 giây sau, áp suất không khí trong cabin giảm xuống bằng không.
Quy trình trở về vẫn được thực hiện tự động, dù mở theo đúng lịch trình và khoang trở về hạ cánh an toàn, nhưng những gì được gửi trở về là thi thể của ba phi hành gia. Nguyên nhân tử vong là do dịch cơ thể sôi lên do giảm áp suất. Bài học rút ra lần này không chỉ là sự cố cơ học mà còn là việc các phi hành gia trở về mà không mặc bộ đồ phi hành gia, dẫn đến việc không có sự bảo vệ nào sau khi giảm áp và bị phơi nhiễm hoàn toàn.
Vào thời điểm đó, khoang tàu trở về quá nhỏ và bộ đồ phi hành gia lại quá cồng kềnh, nên Cơ quan Vũ trụ Liên Xô cũ đã ra quy định rằng các phi hành gia phải cởi bộ đồ phi hành gia trước khi trở về. Vụ tai nạn này dẫn đến việc sa thải và điều tra viên trưởng phụ trách hàng không vũ trụ, đồng thời một số hệ thống và quy định đã được thay đổi. Từ đó trở đi, quy định nghiêm ngặt trên toàn thế giới là các phi hành gia phải mặc bộ đồ vũ trụ trong quá trình bay lên và trở về.
Những câu chuyện này cho chúng ta biết rằng việc tiếp xúc với môi trường áp suất thấp có thể rất nguy hiểm. Ngoài ra, nó còn giải thích các tính chất và hình dạng của nước trong nhiều môi trường khác nhau. Điểm sôi thay đổi theo áp suất không khí trong môi trường. Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
