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博科园|神奇的水!负93摄氏度内保持液态,液态和气态在374摄氏下共存!

2020-01-15

水可以在远低于0摄氏度的温度下保持液态,这种过冷阶段是目前科学研究的焦点。巴西圣保罗州立大学(Unesp)开发的理论模型表明,在过冷水中,存在一个临界点,在该临界点,热膨胀和压缩性等性质表现出异常行为。由马里亚诺·德·索萨(Mariano De Souza)教授领导的这项研究得到了FAPESP的支持,索萨也是里约克拉洛大学地球科学和精确科学研究所物理系的教授,索萨和合作者在《科学报告》期刊上发表了这项研究。

研究表明,这第二个临界点类似于水中约374摄氏度和约22兆帕斯卡压力下的液气转变。液相和气相在大约374摄氏度的水中共存,这种奇特行为的起源可以观察到,例如在高压锅中。在这一点上,水的热力学性质开始表现出异常行为,因此,这一点被认为是“关键的”在过冷水的情况下,两相也共存,但都是液体,一种密度较高,另一种密度较低。如果系统继续适当地冷却到0摄氏度以下,相图上就会出现一个点,在那里两相的稳定性被打破,水开始结晶,这是根据新的研究从理论上确定的第二个临界点。

研究表明,这第二个临界点出现在180开尔文(约-93摄氏度)的范围内,超过这个临界点,可以存在液态水。它被称为过冷水。最有趣的部分是,研究为水开发的理论模型可以应用于所有两种能量尺度共存的系统。例如,它适用于铁基超导体系统,其中也有向列相[分子取向为平行线,但不是以明确定义的平面排列]。这个理论模型起源于研究实验室进行的几个低温热膨胀实验。这个通用模型是通过对Grüneisen参数的理论改进而获得,以德国物理学家Eduard Grüneisen(1877-1949)命名。

简单地说,这个参数描述了温度和压力变化对晶格的影响。研究对Grüneisen和伪Grüneisen参数的分析可以应用于研究任何具有两个能级系统的临界行为,根据感兴趣的系统对关键参数进行适当调整就足够了。用可压缩单元类伊辛模型来估计过冷水中热膨胀系数和比热(Grüneisen参数Γs)之间的比率。在临界压力和温度附近,Γs对序参数的热波动非常敏感,序参数是压力诱导临界点的特征行为。Γs的这种增强表明,控制系统的是两个能量尺度,即高密度液体和低密度液体共存,在过冷相的临界点上变得难以区分。


博科园|研究/来自:圣保罗研究基金会

参考期刊《科学报告》

DOI: 10.1038/s41598-019-48353-4

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