鍋中水煮鐵塊，鐵塊溫度能超過 100℃ 嗎？

11-26

在一個標準大氣壓下，鍋中放著絕對純凈的水，有一個小鐵塊懸在水中；
鍋不加蓋，鍋底下持續加熱（能使水沸騰蒸發），假設水永遠蒸發不完；
鐵塊的溫度能高於100℃嗎？

熱力學第二定律：不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。
——克勞修斯表述

另外，好幾個回答連「溫度」的定義都沒搞清。
溫度是物體內分子間平均動能的一種表現形式。少數幾個分子構成的系統，由於缺乏統計的數量要求，是沒有溫度的意義的。

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沒想到這個問題竟然還有爭議，尤其是那個匿名高票答案，我都要被氣哭了。宏觀低速問題上，扯什麼量子力學全都是放屁！
還有那些糾結各種細節的人，鍋底的熱輻射啊，表面張力引起的蒸汽溫度升高啊。一開口就暴露了自己沒學過工程的事實。你們扯的這些熱傳遞，比鐵塊和水之間的傳熱速率低了不知道多少個量級！完全可以忽略——我說可以忽略的意思不是說數字很小可以忽略，而是說這些現象根本就影響不了鐵塊的溫度。傳熱不是瞬時的過程。最後鐵塊達到的是一個動態平衡！懂不懂動態平衡！

嚴謹不等於鑽牛角尖。總有些人喜歡把問題無限複雜化，來顯示自己的高大上。卻不知道，現代科學最基本的方法就是簡化並抽象出問題的本質。有的人真是缺乏最基本的科學素養。

不請自來。實在是看不下去除了 @甘習以外的大部分高票答案，尤其實名反對排名第一的按初中、高中、大學物理分的答案中的大學物理部分。

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沒想到一下子收到這麼多的關注，故修改一下答案的一部分表述，做一個完整的答案而不僅是一部分錯誤答案的反駁。
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首先按照科學界定義溫度：溫度是物體內分子間平均動能的一種表現形式，當兩個封閉系統不再進行能量交換時即說明兩體系溫度相等。溫度相等的兩個封閉系統不進行能量交換——熱力學第零定律。熱量無法從一個低溫體系傳遞給一個高溫體系而不引起其他變化——熱力學第二定律。一個標準大氣壓下純水的沸點定義為100℃（攝氏溫度溫標）。（沸點：純水持續變為水蒸氣的相變溫度）
那麼題目很明確1.「一個標準大氣壓」；2.「絕對純凈的水」；3."一個懸在水中的小鐵塊"——宏觀鐵塊，以垂線等形式懸在水中，而不是沉在鍋底；4."鍋底下持續加熱（能使水沸騰蒸發），假設水永遠蒸發不完"——持續相變狀態，恆壓開放體系。
以上，在不做非體積功的情況下，由於加熱過程是能量由鍋向水傳遞，水再向鐵傳遞。由於水在一個大氣壓下持續沸騰相變，根據相變原理，水的溫度將維持100℃，那麼根據熱力學第零定律和熱力學第二定律，以及上述定義確認鐵塊溫度不會超過100℃。
但是題目並沒有任何體系是否做非體積功的表述。如果體系做非體積功那麼鐵塊的溫度就可以超過100℃。比如一個比較現實的例子，這鍋水是使用電磁爐加熱的。那麼儘管鍋有一定的電磁屏蔽，但只要這種電磁屏蔽達不到100%，那麼鐵塊就很可能超過100℃。

僅在原答案的基礎上修改了一部分表述，希望能夠儘可能準確和便於大家理解。
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下面依次反駁幾個答案：
1. 什麼「量子力學裡，這鐵塊有可能躍遷到太陽又馬上跳回來。而且溫度本來就不是可觀測的力學量，討論溫度太low了吧。」麻煩答主好好溫習一下不確定性原理，在一個宏觀體系內根本不適用不確定性原理。（如果說這個鐵塊只有百納米尺寸，那麼其將不會有溫度概念。其次根據不確定性原理就可以知道，如果可能躍遷到太陽又馬上跳回來，那麼這個鐵塊的質量該小於多少，根本不可能存在。再其次麻煩好好溫習一下邊界條件的概念，就算是打比喻誇張，科普也要在不違背基本原理的前提下）
2. 「固體物理里，不考慮金屬的自由電子氣怎麼行呢。自由電子氣可以碰撞金屬晶格的。」自有電子氣影響的是熱傳導，和溫度沒有關係，溫度是一個物質內部各顆粒的平均動能，這裡的碰撞都是彈性碰撞，根本不會影響一個統計結果。
3.「電磁學裡，從室溫到沸水溫度下，鐵塊中原子磁矩和地磁場作用肯定會有熱效應吧。熱膨脹不會切割磁感線么。」姑且不論地磁場極弱的場強，原子磁矩是導致原子軌道在磁場下分裂的原因，但本身不一定具有磁性，如果不是磁鐵，其統計磁矩一般為順磁性，不會產生熱效應。即便是磁鐵，麻煩假設一個強磁場而不是地磁場這種。
4.剩下的好好看看題設，至於什麼「我反對把沸水看做一個只有100℃的穩定液體」，如果連定義都否認，那麼似乎也沒什麼好說的了。以上答案可以參見任意一本合格的「熱力學」教材。比如北京大學的《熱力學》，南京大學的《物理化學（上）》等。

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以下回復幾條評論:
1."假如有一個很高很長的鍋，高到以至於在鍋底部的水壓已經相當高了。會不會不一樣？"和"那爆沸呢？"
答：這兩個問題雖然側重點不同，但有共同涉及的地方，故這裡一併作答。首先是前者，理想情況下水壓不影響沸點，影響沸點的是水的蒸汽壓。但實際上考慮到水蒸氣的氣體性質，其遠不是理想氣體，故其沸點還是受壓力影響的，儘管這種影響一般情況下可以忽略不計。但事實上如果極端一點考慮一下海水這種誇張的情況，如果在近海底吊著一塊鐵塊，讓整個大海都沸騰，那麼這個鐵塊將超過100℃。（感謝@何明春的幫助，這裡未考慮海水的鹽效應，而純粹假設海水是純水的情況下單獨看水壓的影響。事實上海水還會因為鹽效應會沸點升高，當然這點不符合題設就是了）
然後是爆沸，這和第一個問題有共通之處。因為越高越長的鍋裝著完全純凈的水，越容易爆沸（因為純凈的水沒有汽化中心，而且越高越長的鍋水壓越高，越不容易使得小氣泡）。那麼就容易產生過熱水，導致溫度超過100℃，鐵塊自然也超過100℃。但是看一下題設：「鍋底下持續加熱（能使水沸騰蒸發），假設水永遠蒸發不完」，很明顯是已經沸騰的狀態，而且持續加熱，永遠蒸發不完，那麼基本可以認為是正常沸騰而不是過熱水或是過熱水平衡被打破的瞬時爆沸狀態了。所以答案並未涉及這兩方面的內容。

謝謝這些問題的補充。

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再回復幾條評論吧：
1.我認為沸水中的氣泡，其溫度是可以超過100攝氏度的。舉個極端的例子，郭下某點用1000攝氏度的高溫加熱，則局部不可避免地存在幾百攝氏度的水蒸汽，而其與水的熱交換又不會在瞬間完成。
回復：液化氣火焰的溫度大概1400℃，有興趣的話拿家裡的液化氣燒一壺熱水，順便測測正常沸騰時水內的溫度即可。（PS：實驗室為電子溫度計校準使用的就是這一方法）

2.過熱水隨便超過100攝氏度，我們實驗室經常用120度的超純過熱水研究臨界課題，能穩定20分鐘以上，就是在標況下! 你可以多去學學過熱液體的理論，過熱水在實驗室很常用
回復：關於「過熱水」的問題我在回復「爆沸」時就已經作答了。如果貴實驗室能在標況下做出一個保持沸騰狀態的120℃過熱水，那麼我建議你將其寫成一篇完整的論文投稿Nature來解救一下我這樣被陳舊理論束縛的人。

實驗室以前純水恆壓恆溫標況過熱到120+，維持10分鐘以上不沸騰，幾次超過130+，但維持時間短了些。見過國外有實驗組做過標況下 170度+。網路上標況過熱水200+的有，但持續時間不會久

正確答案不該是因為鐵塊會沉下去與鍋底接觸，所以能超過100度嗎？鐵塊懸在水中是怎麼回事？

某日.老師在課堂上想考考學生們的智商,就問一個男孩：「樹上有十隻鳥，開槍打死一隻，還剩幾隻？」
男孩反問：「是無聲手槍嗎？」
「不是」
「槍聲有多大？」
「80—100分貝」
「那就是說會震的耳朵疼？」
「是」
「在這個城市裡打鳥犯不犯法？」
「不犯」
「您確定那隻鳥真的被打死啦？」
「確定。」老師已經不耐煩了，「拜託，你告訴我還剩幾隻就行了，OK？」
「OK！鳥里有沒有聾子的？」
「沒有。」
「有沒有關在籠子里的？」
「沒有」
「邊上還有沒有其他的樹，樹上還沒有其他鳥？」
「沒有」
「有沒有殘疾或餓的飛不動的鳥？」
「沒有」
「算不算懷孕肚子里的小鳥？」
「不算」
「打鳥人眼有沒有花？保證是十隻？」
「沒有花，就十隻。」
老師腦門上的汗已經流下來了，下課鈴響起，但男孩仍繼續問：「有沒有傻的不怕死的？」
「都怕死！」
「會不會一槍打死兩隻的？」
「不會。」
「所有的鳥都可以自由活動嗎？」
「完全可以」
「如果您的回答沒有騙人，打死鳥要是掛在樹上沒掉下來，那麼就剩一隻；如果掉下來，就一隻不剩。」學生滿懷信心的回答。

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網上有很多像本題這種針對常識性知識的提問，其討論價值完全只在問題本身。

看得出來這些題主很喜歡看到眾學霸們發掘自己出題背後的深意。

以前我也曾像上面小明這樣，當時老師說我抬杠我還不服氣，自以為想得有深度。

現在想想，應該是「中二病」吧。

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補充，上面小明的行為確實屬於對yiqing yang朋友在我評論里說的老師耍流氓的情況的反擊。出題老師喜歡玩腦筋急轉彎屬於「中二病」的變種。

我只想說，在沸水中，鐵塊真的能保持不沉底而懸在水中嗎...

小崔的話，應該可以把鐵塊煮到101.42度~╮(╯▽╰)╭

鐵不能吃，煮了也不能，題主別想太多了。

直接扔鐵鍋鍋底的話, 妥妥的超過一百度

搞那麼複雜…化繁為簡，初三學過熱學的小朋友都知道，由於水始終保持100度，與鐵塊沒有溫度差，當然不會超過100度，深究有啥意義不。無語

水「里」不可以
但是水面以上可以
這是「煮飯」和「蒸飯」的區別
大家都知道蒸飯比煮飯更好吃
因為煮飯是在水「裡面」，溫度最高才100度
而「蒸」是用水蒸氣，水蒸氣的溫度可以超過沸點（我就不說100度了，因為有海拔和氣壓的差別）

少年我給你推薦個高壓鍋吧

絕對純凈的水不會沸騰，沸騰要有汽化中心，而問題中的鐵顯然不是。所以鐵一定會超過100度

想當然的回答一下，熱烈噴我吧吱友們！

如果你能統計到小數點後很多位，那麼我認為可以超過100度。

1 沸騰狀態的水內部會因氣化產生很多小氣泡，氣泡中的水蒸氣溫度可超過100度。
2 來自鍋底的熱輻射會間接給鐵塊加溫。

如果鐵塊的溫度超過100度，那麼鐵塊表面會和鍋底一樣產生大量氣泡，因為水會在金屬表面加速氣化。可惜這種觀測用人眼來看可能看不清楚。

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感謝@春天的吐槽，因為鍋底也是100度，所以第二條貌似扯蛋。歡迎繼續吐槽。

看到前面討論的那麼複雜，我真的是醉了，不學物理的人根本看不懂好嘛。所謂的溫度升高就是熱量傳遞。如果鐵塊在水中間那是不可能的。因為周圍沒有溫度大於100的物體。如果鐵塊靠到鍋底，或是部分超出水面，那就可以。因為鍋底的溫度和水面水蒸汽的溫度是可以超過100度的

我感覺這個問題很適合我來回答，小弟大學物化重修了兩次，第二次重修學的非常認真，後來考了90多分，這道題我感覺是物化里的基礎題。首先要知道，熱能不會由低向高傳播，而金屬的熱量是由水傳播過去的，由於水的最高溫度是100攝氏度，所以金屬的最高溫度只會小於等於100攝氏度。

初中物理：水在標準大氣壓下的沸點是100度，所以鐵塊溫度最多達到100度。

高中物理：純凈的水易出現暴沸現象。即水的溫度高於100度後再突然沸騰。水溫高於100度這鍋水還是可以保持在亞穩態不沸騰的。這種情況下鐵塊溫度可以高於100度。

大學物理：可考慮的因素太多了...
你可以從熱力學/電磁學/固體物理/量子力學多種角度看待這個問題，得到完全不一樣的回答。

實際生活里一般初中物理就夠了。

趁著上課前隨手一答，有錯晚上回去再修改。
歡迎指正。

以上。
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歡迎如此多的抗議。。
關於大學物理部分的爭議似乎很多。
我就再簡單解釋一下吧。

首先，有兩點需要強調。
1）【可考慮的因素太多了..】
我列舉的是當時我覺得可以考慮的因素。這些因素並不違背題目中的已知條件。而且，我提到的這些因素可能有少部分對溫度的確沒有影響。
不過，也還有一些因素我之前沒有提到的實際也可以影響鐵塊的溫度。比如，上升的大氣泡對鐵塊做功的影響。如果我們有太平洋那麼大的一鍋水，某艘潛艇或者軍艦就是那個「鐵塊」，那麼一個巨大的氣泡可以讓潛艇和軍艦劇烈抖動甚至這段。考慮一下其中重力勢能做了多少功。

2）如果你看不明白我這裡關於大學物理部分的解釋，不妨試著去想一下，在不違背已知條件下有哪些方法讓鐵塊的溫度不等於100攝氏度？
想一想你學過的那些物理課。

好。關於【大學物理】部分的解釋。

這次順序反過來。從熱力學開始到量子力學。

熱力學的方法其實是最可靠的。
球形水團百分之百可以改變一個標準大氣壓下水的沸點。在地面上，水表面的曲率半徑是無窮大（因為水面是平的），表面張力沒有增加到水上。但是球形水團的的曲率半徑等於水團的半徑，用微元法就能求出半徑和表面張力壓強的關係。定性地說，水團半徑越小，沸點越高。
其實，從表面能的角度更容易理解。水團越小，表面能佔比越高，要將水分子蒸騰出液面所需要的能量越高，於是沸點越高。
熱力學方法對鐵塊溫度的影響是可以精確計算出來的。一個足夠精確的溫度計可以測量出這個細小的溫度變化。

電動力學相對論效應也是比較靠譜的方法。但是對溫度的改變已經不好精確的計算了，但是依然可以很容易估算。
我不知道熱輻射/輻射溫度計這兩個概念大家了不了解。

熱輻射，thermal radiation ，物體由於具有分子熱運動而輻射電磁波的現象。

輻射溫度計就是通過基於測量熱輻射的溫度計。黑夜裡熱輻射眼鏡還可以幫助發現恆溫動物。
好，試想，當這鍋水以0.99倍光速遠離我們會發生什麼？相對論性的多普勒效應（Doppler Effect）。更確切地說，熱輻射譜紅移。熱輻射溫度計很快就會測量到鐵塊溫度下降。
假如這鍋水沖著我們飛來，那溫度看能會顯示相當得燙。速度夠快的話，熱輻射甚至可以移動到可見光波段，鐵塊變得「紅熱」（~800攝氏度）。如果速度非常快的話，我們還可以看到「白熱」的鐵塊（~1500攝氏度）。
我們同樣可以從微觀層面來分析相對論效應的影響。溫度溫度是分子平均動能的標誌。還是那鍋飛速移動的水，假設沿著x軸運動，如果你還記得洛倫茲變換的話，你很容易發現相對論效應會讓x軸方向的分子速度分布變化，於是分子平均動能也改變了。

來，咱們繼續。電磁學方法是最不要臉的！
一鍋水放在太陽下邊曬邊加熱，鐵塊溫度會略高於水溫100度。只有太陽輻射還在，鐵塊和水永遠無法達到熱平衡。
如果覺得太陽不爽的話，可以試試微波爐，輕輕鬆鬆過百度。【警告！危險實驗請勿模仿】
題主沒說要用火的熱傳導加熱了吧？輻射可是三大加熱方式之一呢。

固體物理。
之前答案里提到的可能還真的不會改變溫度呢！不過也有其他方法啦。
鐵塊是個好東西啊，如果你玩過磁鐵就知道了。
通過磁能的變化為鐵塊加熱很方便的。看不懂這句話的可以把其視為微波爐加熱，只不過鐵磁性讓我們可以更方便地辦到而已。可以不用微波爐里頻率那麼高的電磁波了。自製電磁鐵什麼的都行（地磁場還是太弱了，但真的可以有點作用..）。
電子氣撞擊晶格影響的是熱傳導，所以這個因素的確不會直接影響溫度。

然後到喜聞樂見的量子力學了。
雖然一開始就知道會有人疑問，但還是沒想到直接就開噴了。。
真的很想重新開一題解釋一下量子力學的退相干/測量/宏觀表現呢。本科時遇到的第一位導師正好就是研究退相干理論起家的。

說量子力學不能用於「宏觀物體」的，唉，真是夠了..
tell me, 什麼是「宏觀」？要是你能用一串物理量定義「宏觀」，說這個時候不能使用量子力學，別掖著，趕緊發表了，又是學術界一顆新星。
再告訴我，量子力學裡有物體這種東西嗎？
Everything is a state. Everything is a vector.
然後，似乎很多人也不太理解測量在量子力學的意義。

我就講一句話：當不測量這個量子系統時，在位置空間里，鐵塊處於所有態的疊加狀態，鐵塊無處不在。說太陽那麼遠太誇張了，但是把這鍋水塞到關著某隻貓的的小黑屋裡，應該就很容易理解了吧。那塊鐵有可能正在某隻蠢貓的肚子下面。。
Everything is a state.
但溫度真的不是一個觀測量，也不能像求平均能量一樣求平均溫度。雖然不知道是多少度，但肯定不能說鐵塊是100攝氏度..
沒錯，當你看著它的時候它是100攝氏度，但當它被放在小黑屋裡時，我們就不能再這樣說了。

累了，還有疑問/爭論的話周末再來補充
然後，我一向歡迎糾錯的，請別客氣
最後，不太喜歡別人趁我沒時間來補充回答的時候攻擊，以至於我不得不暫時匿名。上知乎又不是吵架，請溫和一點好嗎，先行謝過了；）

先回答：可以超過100℃
首先題目中鐵塊大小不確定，我就默認它是既不太大也不太小的鐵塊，也就是說這是一個宏觀問題，所以不能用量子力學來解釋，所以反對了一下那個用量子來解釋的答案。
同樣反對高票 @甘習的答案，他只說熱力學第二定律，並且因為沸水100℃，並且鐵包圍在沸水中，所以鐵不能超過100℃。但是他忽略了一些東西，就是鐵塊所處的環境並不是穩定的100℃，
注意水底下有熱源的，
水是不斷沸騰的，
水蒸氣是不斷產生的，
水蒸氣是可以接觸到鐵塊的，
鐵塊接觸的溫度是可以超過100℃的，
所以鐵塊是可以超過100℃的。
我並不對熱力學第二定律，但是我反對把沸水看做一個只有100℃的穩定液體。
就醬┑(￣Д ￣)┍

鐵塊不會懸在水中

@甘習不得不說熱力學第二定律確實沒錯，當年我也是被克勞修斯虐哭的人。所以鐵塊的溫度不能高於水的溫度同意。
但是這不能得出鐵塊不能高於100攝氏度的結論啊。
誰說1個大氣壓下，水就不能超過100攝氏度的？就不能有過熱的亞穩態了？