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 水的反常膨脹現象：熱縮冷脹

水是最普通、最常見的物質。所有有生命體征(包括人類)的動、植物的生存都離不開水，水是生命之源。人們把水的凝固點作為記錄溫度的零點，并把水的沸點定為100℃，即把水的相變點作為自然所有物質溫度的標尺。

一般來說，大多數物體都有熱脹冷縮的性質，溫度越高，物質的密度越小。但水卻是一個例外，熱脹冷也脹，只有在4℃時候，體積最小。高于4℃或低于4℃時，體積都會膨脹。這種現象被稱為“反常膨脹現象”。

  我們知道，物質基本上都是熱脹冷縮的特性，受到加熱，粒子之間運動加快，粒子之間間隙加大，表現密度減小。而低溫下恰恰相反，粒子之間運動減小，表現間隙減小，反之密度加大。但這似乎不能解釋水的這種現象，為何低溫狀態(tài)下的冰密度會比水小，在這里如果仍用"熱脹冷縮"就說不通了。而且，根據現有研究表明，在液態(tài)水形態(tài)下，它的密度在超冷水狀態(tài)或者趨于零度時竟然不是最大，而是在4℃時密度最大，這也不適用于熱脹冷縮的說法。

       現在來說說為何4℃時水的密度才是最大的？

       通過觀測發(fā)現，在低于4℃條件下的水，即使沒有結冰，早就在水中形成肉眼不可見的冰晶體，這些冰晶體恰恰導致水的密度變大的原因。而溫度到達4℃時才能充分融化這些不可察覺的冰晶體，這個時候才能稱為完全液態(tài)水，密度自然最大。超過4℃，水分子的運動有加快趨勢，分子間隙也開始加大，密度也會逐漸加大。所以4℃時是水密度最大的時候。

水的三種形式：固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)

水的密度肯定也應該是會變化的，如果不會變化，那水的三種形式即固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)就不存在。事實上氣態(tài)是水密度最小的時候，只有這樣才會上升天空，形成云。而固態(tài)是水密度第二小的形態(tài)，由形成的冰漂浮于水可以知道，冰的密度是絕對沒有液態(tài)狀的水大的。由此可以知道，液態(tài)水是水的三種形態(tài)下密度最大的存在。

0℃時

0℃水結成冰時，全部分子締合在一起成為從而形成一個巨大的群體。在冰的結構中，每個氧原子與4個氫原子相連接而成四面體，每個氫原子與兩個氧原子相連結。即氧原子的四個鍵(兩個共價鍵，兩個氫鍵)，指向一個四面體的四個頂點，每個水分子都被四個水分子所包圍，如圖所示。

因此，冰是一種很不緊湊的結構，內部具有相當大的空。當冰熔解時，一些氫鍵被破壞，四面體結構被瓦解，水分子可以比較緊密地堆積在一起，因此，冰在熔解時體積要縮小。

 冰是浮于水面之上的，為什么呢？

原來，當水為固態(tài)(冰)時，分子間的相互作用力會使分子按一定的規(guī)則排列，分子之間會形成結晶四面體。這種排列方式可以看做類似支撐作用，會占據空間，比較松散，密度自然就沒有液態(tài)水大，漂浮于水面之上也在情理之中。

4℃時

在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發(fā)生改變的效應：

一是由于溫度升高，液態(tài)水的分子熱運動加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小。

另一種是由于溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。

在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低于4℃前，后一種效應占優(yōu)勢；而水溫高于4℃后，前一種效應占優(yōu)勢。根據推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體。當溫度逐漸升高時，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大，所以水在4℃密度最大。

在4℃時水的密度最大，而不是在0℃？

把一定質量的水從0℃加熱到10℃，水的體積是先減小后增大的，4℃是轉折點，此時體積最小，密度最大。通過進一步研究發(fā)現，水的熱脹冷縮是反常的，水在低于4度時表現熱縮冷脹，導致密度下降。而在大于4度時，則恢復熱脹冷縮。這是水最重要也是最奇特的特性之一。保證了地球生命的延續(xù)。想想地球冰河時期，如果冰都是下沉，那暴露在低溫空氣中的水會一直結冰，到時整個海洋和地球就真的冰封了。

水的這種奇異特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘里的水結冰時，總是從水面開始的。也就是說首先是水面的水溫降到0℃，下面的水溫則高于0℃，從上向下溫度逐漸升高，水底溫度在4℃左右；密度則逐漸增大，水底密度最大。正因為水的這種奇異特性，才出現“人在冰上走，魚在冰下游”的自然景象。

      湖泊里水的表面，當冬季氣溫下降時，若水溫在4℃以上時，上層的水冷卻，體積縮小，密度變大，于是下沉到底部，而下層的暖水就升到上層來。

       當水溫到0℃結冰時，密度最小。水的這種特性也會給人們的日常生活造成一些損失，例如：水結冰時體積膨脹所產生的力量，足以把水管、水泥制件等撐破。平時一瓶礦泉水放在冰箱里，結成冰時體積會增大就是現成的例子。當然，也能給人類帶來好處，特別是在保護魚類和其他水中生物方面。

冰封湖泊，鑿洞釣魚

      正因為液態(tài)水在4℃時，密度最大。溫度高于4℃時，水的密度是隨著溫度的降低而增大，但是在0～4℃的溫度范圍內，水的密度卻隨著溫度的降低而減小，直至冰點。正是這個特性使得4℃的水下沉，隆冬時節(jié)水體從表面至底部形成由低到高的溫度梯度，抑制了水的對流，才有冰封湖泊鑿洞釣魚的景象。這表明湖面表層結冰，但冰層之下卻是液態(tài)的水，而且湖泊的底部的水溫還能穩(wěn)定在4℃，致使魚類等水生生物得以生存，安度嚴寒。

        4℃的水與“千克”(公斤)

     1799年12月，人們用一立方分米4℃水的質量確立了“千克”(公斤)這一重量單位。之所以選擇4℃，是因在水在這一溫度時具有最大的密度。

       水的"熱縮冷脹"特性的重要意義

       在冬天的冰面以下，4℃的水密度大，會沉在下層，而溫度更低的水因為密度更小，會浮在更貼近冰面的位置。這阻礙了水的上下對流，導致冰面不能快速向下生長。水中的生物特別是魚類也因此得以在冬天生存下來。

       水的密度與水體分層

        綜合本文上述"水在4℃密度最大"的特點，根據水的這個密度特性，表明在一個整體的水體中，它的密度可能是不一致的，即密度差，因為表層水和底層水的溫度在大多數情況下是有差異的，最終導致水體(水溫)分層。

      水體(水溫)分層的現象與水產養(yǎng)殖密切相關。在冬天，當溫度低于4℃時，水面的溫度比較低，再向下層水體時，水的溫度逐漸增加，然后到4℃，所以，冬天的魚兒多在水體下層活動，以抵御寒冷。正因為水溫在4℃時密度最大，上層水的密度一般都很小，密度大的沉在下面，因此，在夏天避暑和冬天防寒時將水體盡量加深水位是有益的。

      當然，水產養(yǎng)殖上的"水體(水溫)分層"不是以4℃為界限，而是以上述"密度差"的原理來探尋水與魚類的相互關系。高溫季節(jié)的水溫分層猶為明顯，上、下層水溫的溫差較大，同時，水體中的溶氧水平在晝夜間變化也較大，晚上受暖濕氣流的影響，夜間水體上層水溫隨著氣溫的下降而逐漸下降，但密度同時也增大，從而產生密度流即上、下層水體對流，隨著時間的推移，就會拉大養(yǎng)殖水體上、下層水溫的差異，一旦達到了臨界點就會產生水溫分層，中、下層水體溶氧慢慢補充，而上層水溶氧則逐漸下降，一般到凌晨時會降到最低水平，加上因夜間基本上沒有自然補氧來源，底層水體溶氧則更加欠缺，因而凌晨或早上最易形成缺氧狀況。

       因此，水產養(yǎng)殖要盡量的打破水溫分層的形成，處理的辦法就是破壞水溫分層，采用一些機械設備，如增氧機、微孔暴氣等，當然，遇有風浪時水溫分層就會自然而然地消失了。因此，養(yǎng)魚戶應該掌握水的密度特性和水溫分層的規(guī)律，從而確保漁業(yè)生產順利進行。 

        另請參閱：解析水體分層與水產養(yǎng)殖的關系

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