本文基于回答网友邀答问题:如果在3000米深的海底,用特种钢瓶装满水,里边有一个海底生物密封好,然后拿上岸里边水压力多少?(见下面截图)
简单回答:这个钢瓶大概率会爆掉,这条倒霉的鱼也必死无疑。
先说说这条倒霉的深海鱼。如果这个特种钢瓶能够耐受如此高的压差不爆瓶,这条鱼当然不会死。因为这样,这条鱼就依然活在深海高压环境中。不过如果钢瓶不打开,没办法喂养和维持水中的氧气,要不了多久,这条鱼依然会死掉。能活多久,就要看这个瓶子的大小了,瓶子越大,装的水越多,活的时间就越长,反之,越短。
但大概率钢瓶会爆掉,鱼就必死无疑了。
深海鱼到达海面为什么会死呢?主要原理包括压力骤降、呼吸系统失效、渗透压失衡等。
首先说说压力骤降。深海鱼类长期承受约3000米水深的高压环境(约300个大气压),其体内细胞膜和酶活性已适应这种高压状态。当被快速带到水面时,外界压力骤减导致体内气体膨胀,可能引发血管破裂、器官损伤,类似于人类潜水病或进入高空低压环境无保护状态。
其次是呼吸系统失效。深海鱼鳃结构已经进化成从高溶解度水中提取氧气,但离开深水后会导致鳃丝粘连失效,无法进行气体交换,导致窒息。
再次是渗透压失衡。深海鱼体液离子浓度与深海环境平衡,到达浅水后渗透压调节系统崩溃,引发体液紊乱或体表水分快速蒸发导致脱水而亡。
那么钢瓶为啥大概率会爆掉呢?
因为一般的瓶子,包括钢瓶都无法承受从3000米深海到水面的巨大压差。
前面所说的压差,是指3000米深海中的压力与海平面的压力约相差300个大气压,也就是说,海平面压力为1个大气压,海水每深10米增加一个大气压,3000米深海水就有约300个大气压。当然,在海洋气温洋流等复杂状态下,水深并不一定与气压成标准比例关系,但呈正相关是毋庸置疑的。这里就不进行复杂分析了,只是按每深10米增加一个大气压的简单比例计算。
这是个什么概念呢,就是一个物体在3000米深海中表面每平方厘米要承受约300公斤的压力,而在海平面只承受1公斤的压力。
但钢瓶会爆掉,并非是由于压差大的简单因素导致的。如果这个钢瓶不装水,也没有密封,就是一个不密闭的空瓶子,即便深海与海平面压差再大,装满水从海底捞上来也一样不会爆瓶。因为这种压差在没密封的瓶口中卸掉了,在上升过程由于密度变小,多余体积的水会从瓶口流掉了,这个瓶子的内外璧压差平衡,当然就不爆了。
爆瓶的原因关键点在于“密封”和里面装满的“水”。这里面的水就像鱼儿一样,在从深海高密度状态,到海面低密度状态,体积会增大,就会像气体那样膨胀,将钢瓶撑破了,而不是所谓压差直接导致钢瓶爆裂的。
常识告诉我们,水(包括所有液体)是很难被压缩的,在常压下,水的密度基本不变。正是基于这个原理,万吨水压机里面就是依靠水来传导压力的。所谓万吨水压机,是通过帕斯卡原理实现压力传递,其核心就在于水的不可压缩性。当然,这里的水并没有直接承受了万吨压力,而是通过活塞从小到大放大压力,水本身还只是承受着常规压力,因此不会被压缩。
水很难被压缩,并不是说完全不被压缩,在高压下,水分子还是会被压缩的。在大海中,水深每增加1000米,也就是约增加100个大气压,密度会压缩约0.5%,在3000米深海中的水体密度会被压缩约1.6%。
容器开放性沉入深海,在深海中装满这种密度的水,密封后并不会爆裂。这是因为在容器内外,承受的压力是同等相互抵消的。到达海平面后,外界只有1个大气压,而瓶内的水是在300个大气压下才形成的密度,虽然这个密度只小了1.6%,但也要在300个大气压下才能保持这个密度。
也就是说,此时瓶内的内壁每平方厘米要承受约300公斤的压强,才能保证水的密度比海平面大1.6%。但这个瓶子外壁只有每平方厘米1公斤的压强顶住,内壁每平方厘米却承受着300公斤的压力。事实上,不同材质的瓶子承受的压力是不一样的,在从3000米深海上升过程中,等不到提升到海面,就会在不同水深因外界压力减小而爆裂了。
不同材质瓶子能耐受的压力大致为:普通塑料瓶(PET、PE)可承受0.3-1个大气压强;玻璃瓶可承受1-5个大气压强;普通金属瓶(铝合金、铁)可承受10-30个大气压强;高强度合金(如钛合金、特种钢)可承受50-100个大气压强;极端环境材料(如深海耐压复合材料、陶瓷基复合材料)可承受100-1000 个大气压强。
从上面介绍的各种材料可以看出,只有最后一种能做到从深海取样返回而不爆裂。但这种极端材料制造成本极高,需特殊工艺制造(如无缝焊接、厚壁设计、重量很大),因此在一般普通场景实际操作中几乎不会使用。而前面的几种材料,在深海装水密封后都会在上升到海面过程中就爆裂了。
至于问题中提到采用塑料袋,开放性放入深海同样不会被撕裂,装水密封后上浮的后果与上述描述类似,就不重复了。
水在不同温度中的密度也不一样,在4摄氏度时,密度最大,约为1g/cm^3,一般高于或低于这个温度,密度都会减小。在3000米深海中,水温一般在1~4摄氏度之间,而在海面,分寒带热带不同,水表温度一般在10~30摄氏度之间。这种温差效应也会导致水密度变化,但海水深浅气压变化,是导致水密度变化的主导因素。
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