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冰晶的熔化
发布时间:2024-12-05
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2013年,日市一个研究小组利用计算机,演算了由约1000个水分子组成的冰被加热时的变化过程。在常压环境下,温度高于O℃时,冰晶内的一个水分子脱离结晶,开始自由运动,就像“兵阵”里第一个脱离战斗的士兵。一旦脱离,这个水分子就不会再回到原来的位置,结果导致冰晶出现歪曲。而一旦冰晶出现歪曲,就会逐渐扩散,最终整个冰晶分崩离析,变为液态。“千里之堤,溃于蚁穴”可以说非常准确地概括了冰晶松散瓦解的过程。

冰晶家族“十六金刚”

当温度降低,水分子会凝结组成“兵阵”,但会因为温度和压强的不同,形成不同的阵列,生成不同的冰晶。

事实上,我们日常所见的冰只是固态水的16种结晶形态之一。在低温或高压条件下,水还会结成其他不同形态的晶体。按罗马数字排序,科学家称之为冰I、冰Ⅱ、冰Ⅲ,一直到冰XVI(冰-16),统称为冰晶家族的“十六金刚”。

我们日常所见的冰,是“十六金刚”中的老大,被科学家称为冰Ih,h代表六角形(hexagon),意思是许多水分子聚成六角形的冰晶。

如果我们对“大金刚”冰Ih不断加压,在213吨/米2的重压下,冰Ih内部的六角形结构会被破坏,其中一半的六角形会倒塌,变成三角形或四角形,冰Ih就会变成“二金刚”冰Ⅱ。冰Ⅱ是人工制造出来的晶体,在地球的自然环境中并不存在。不过,冰Ⅱ可能存在于太阳系的边疆地带,例如在木星的卫星木卫三和木卫四上。

如果我们对“大金刚”冰Ih不断降温,当温度达到-200℃时,就形成了“十一金刚”冰XI。目前天文学家已经着手从冥王星、海王星和天王星的卫星上寻找冰XI。

在地下160千米处,每平方米的压力高达5000吨。这样大的压强可以将液态水变为冰,形成“七金刚”冰VI。由于压强巨大,这里的冰块温度可能高达150~200℃,是比开水还要滚烫的“冰”。所以,冰不全是冷的,有的是会烫死人的。

对于库特·冯尼古特笔下毁灭世界的冰IX(冰-9),科学家有着不同的声音。科学家发现,真正的冰IX是在-130℃、气压为标准大气压的2000~4000倍的条件下形成的。将一滴冷冻水不断加压降温后,就可以得到冰IX的晶体。冰IX真的会威胁生命吗?科学家发现,冰IX晶体的密度比六角冰晶的密度大25%,因而比液态水的密度大,从理论上讲,冰I区应该沉在液态水底。而且,冰IX一旦离开实验室的人为控制条件,片刻都无法存在。因此,至少在目前的大气和地表温度下,我们不必担心冰IX会摧毁地球。

最新的冰XVI是2014年发现的。科学探索充满了意外的惊喜,或许以后还会有新的“金刚”加入冰晶家族。