如果我们仅讨论液态水,那么确实几乎是不可压缩的——即便施加很大的压力,其体积的变化也微小到可以忽略不计。事实上,任何液体都难被压缩,这是由液体的微观状态决定的:
气体分子间的距离比较远,因此很容易被压缩:
液体的情况就完全不同,受分子间作用力的吸引,分子已经挨得比较近了,难以在外力的作用下进一步压缩:
但如果给液态水施加非常大的压力,可能会发生相变,正如给水蒸气加高压会变成液态水一样,在不同的温度、压力条件下,最稳定的物相(即液体、气体或晶体结构不同的固体)也是不同的:参见以下相图
例如我们想考虑在 20℃下给水加高压会发生什么,可以在图中描出代表 20℃的竖线。顺便注意图中红色横线标出了一个标准大气压(1atm),可见[20℃,标准大气压]下水以液态形式存在。沿着 20℃线向上走,压强越来越高,可以看到大约 1Gbar 时液态水会转变为
晶型的固态水。
但是这种类型的固态水和我们日常生活中看到的冰并不相同:我们常见的冰大都是在 1atm 下、略低于 0℃下的固态水,参照相图可以知道其是
晶型。而且我们常说冰的密度比水小,指的就是
冰。高压下物质肯定倾向于向密度更大的相去转变,因此压缩水必然得不到密度更小的
冰。
根据评论区的问题补充:
前述常温高压下的晶型
的密度要比水大,更高压下得到的
冰密度还会更大。这是因为压强越高,体积越趋向于减小的热力学原理。数据如下(来自 wiki)[1]:
相态 | 冰 Ih | 水 | 冰 VI | 冰 VII |
---|---|---|---|---|
密度 (g/cm³) | 0.917 | 1 | 1.31 | 1.65 |
为什么没有其他晶型的冰的照片呢?在地球生物圈中,由于很少有极端的温度和压强条件,几乎全部的冰都是
晶型。但地幔内部压强是极高的,在某些来自地幔的天然钻石中能发现被锁住的少量
冰粉末。[2]
科学家在实验室中用激光加压可以制备
冰,同时用 X 射线探测其晶体结构,装置如下图所示[3]:
但得到的
冰的尺寸是微米量级的,没办法制备出肉眼清晰可见的规模。
在地球外的其他天体中(例如木卫二海底)也可能存在着高压相态的冰,答主也希望有一天能去看一看 ♪(´▽`)