一个密闭的空心铁球里面注满了水，如果放冰箱里，水结冰会不会把铁球撑破？

2024-11-23 06:20:01 浏览：1

一个密闭的空心铁球里面注满了水，如果放冰箱里，水结冰会不会把铁球撑破？

－－－－－

网友解答：

－－－－－

有这种想法并不奇怪，因为在北方的冬天，我们经常遇到水管被冻裂的情况。因为水结冰后体积会膨胀，使封闭的铁球有一个内压。所以这是一个薄壁圆球受内压的材料力学问题。

这种情况下，

圆球壁内受到两向的拉应力，和半径方向的压应力。应力的表达式是：

σ(拉)=pD4δ，σ(压)=p

铁球属于塑性材料，应该用第三强度理论：σ1-σ3 ≦【σ】，

略去较小的压应力，强度条件是：

pD4δ ≦【σ】

式中p是球内的单位面积压力，D是球的直径，δ是球的壁厚。【σ】是球体材料的许用应力。

由此可以看出，圆球是否被撑破，取决于球的直径，球壁的厚度和材料的许用应力。也就是说，在球体不大的情况下，球壁只要有一定的厚度，球体材料采用弹性较好强度较大的钢材，满足上面的强度条件，完全可以不被撑破。

－－－－－

网友解答：

－－－－－

如题所陈述，答案是肯定的，历史上也有人做过实验，密闭腔体里的水结了冰，其体积将会显著膨胀，而且力量极大，轻易地就撑破了铁球。在寒冷的北方地区，这是一个常识，那里会经常发生初冬时节输水管线和盛水的容器被“冻裂”的情况——那其实是被水结冰而撑裂的——给人们带来很大损失。大家耳熟能详的防冻液，目的就是防止汽车水箱的工作介质（主要基质是水）冻结膨胀，从而造成汽车发动机的彻底损坏。

如果有人认真一些，可以假定一些极端的或者理想的条件。比如，最初放入的水温度最好是零上4度，因为这时水的密度最大，结冰时膨胀的程度也最大，这样，铁球被撑破就更加容易。再比如，假设装水的是乒乓球大小的腔体而且处于篮球那么大的铁球中心，而且一定要“理想封闭”，而且铁材料的质量优异强度理想，有人就会做一些计算，或许会得出“撑不破”的结论。那么，我倒就此想与人打个赌，我赌铁球仍然会被撑破！

－－－－－

网友解答：

－－－－－

冰的密度（0.9gcm³）小于水的密度（1.0gcm³），水结冰时，体积增大，如果受到阻碍，会对阻碍它的物体产生压力。

千万不要小看这种压力的作用效果，冬天，水管、水缸被冻裂，其实，就是其中的水结冰时发生膨胀，产生的压力将水管和水缸胀裂的。据传说，生活在南美洲的古印第安人，曾利用水结冰开山劈石。在寒冬到来之前，古印地安人就在选择好的石缝中灌上水，水结冰时，产生的压力就可将山石劈开。

回到今天的话题，密封铁球里的水结冰，会不会将铁球胀破？只能说存在这种可能！

不仅要考虑压力的大小，会要考虑铁球承受压强的能力，都存在很大的变数，比如上面提到的水管被冻裂的例子，也不一定总会发生。但可能是存在的，所以，冬天室外的水管一定要用保温材料包裹好，以防患于未然。

另外，冬天，没有辅热功能的太阳能热水器，一定不能存水，瓶装的酒水不能放进冰箱的冷冻室，都是为了防止水结冰将储水箱和瓶子胀破。

－－－－－

网友解答：

－－－－－

没有条件通过试验来寻找答案，只能根据自己理解进行推测。我想有两种可能。

一种是铁球的壁不够厚，水结冰后由于体积膨胀，铁球会被胀裂。类似的情况我们在北方冬季经常见到，冰天雪地里的水管经常被“冻”裂，天气转喛后又会转为大量跑水。所以室外水管一定要做好保温。

另一种情况是铁球的壁足够厚，限制了结冰过程中的膨胀现象。由于液态水中水分子排布不规则，凝固后，排布变得整齐了，在氢键作用下，水分子间形成四面体结构，使得水分子间隙变大，所以水变冰后体积必然增大。既然铁球限制了水分子重新排列就无法形成冰，此时高压下的水结冰点会下降，直到温度足够低铁球质地也变脆，最终还是要把铁球冻裂。

不过普通冰箱没有如此强的制冷能力，最终结果是球内的水温低于零度而不结冰。以上是我的回答。

欢迎评论，关注、点赞！

－－－－－

网友解答：

－－－－－

以前柴油机水箱并没有密闭，冬天水箱结冰水箱冻裂经常发生。现在柴油汽油发动机水箱里加的是防冻液解决了冻裂机体问题。

－－－－－

网友解答：

－－－－－

如果铁球材质均匀无杂质，不会撑破，会被膨胀的冰均匀撑大，但结冰的温度会低于0度。如果铁球不均匀、有杂质，则会在抗压小的局部撑破凸出来。

－－－－－

网友解答：