Question

水在4摄氏度时密度最大为1，结成冰时，体积约增大约多少

Answer 1

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我们知道，正常情况下物质是热胀冷缩的，所以温度越高，物质的密度越小。但也有一些例外情况，如水在0℃～4℃之间是热缩冷胀的，人们把这种现象叫做反常膨胀。设想把一定质量的水从0℃加热到10℃，水的体积是先减小后增大的，4℃是转折点，此时体积最小，密度最大。水的这种奇异特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘里的水结冰时，总是从水面开始的。也就是说首先是河面的水温降到0℃，下面的水温则高于0℃，从上向下温度逐渐升高，河底温度在4℃左右;密度则逐渐增大，河底密度最大。正因为水的这种奇异特性，才出现“人在冰上走，鱼在冰下游”的自然景象。
　　我们的问题是，水为什么会出现反常膨胀现象？或者说，为什么水在4℃时密度最大呢？一般来说，热学中的宏观现象都有它的微观本质，所以水的反常膨胀也跟水分子特殊排列有关。但要从分子论的角度给出详细的解释，困难比较大。到目前为止，人们对水分子的研究还是很不够的，有关水的反常膨胀现象尚没有统一的解释。介绍两种常见且通俗的解释，供参考。
　　
　　一　
　　在温度较低时，水中不完全是液态，还有一些微小的冰晶体。在冰晶体中，每个分子以一定的规律排列在晶体点阵内，每个分子都被四个分子所包围，四个分子在空间构成一个四面体。而液态水中的分子，排列比较杂乱，不像冰晶体中的分子那样规则排列。虽然这些水分子在液态水中运动比在冰晶体中更自由些，但是分子间的平均距离却比在冰中小，所以液态水的密度比固态水的密度大。科学家用X射线研究接近0℃的水的结构时，证实在液态水中存在着非常小的冰晶体。根据推算，在接近0℃的水中大约有06%的这种冰晶体。当温度逐渐升高时，这些冰晶体逐渐被破坏，引起了体积的减小，致使密度增大。
　　在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小；另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。在1大气压（101325千帕）下，水温低于4℃前，后一种效应占优势；而水温高于4℃后，前一种效应占优势。设想一定质量的水，温度从0℃逐渐升高到5℃，根据上面的分析，水的体积将先减小后增大，密度则先增大后减小，在4℃时体积最小，密度最大。实际上，温度越过4℃以后，冰晶体会越来越少，直至消失，水就进入正常膨胀状态了。

　　　　二
　　水由不断运动着的水分子组成，而水分子是有极分子，即它的正、负电荷“重心”不重合。在一般情形下，水并不是以单个分子的形式存在的，而是由多个分子相互吸引联在一起的。在0℃时，由三个分子联在一起组成分子团；当温度升高到4℃时，这种组合转化为两个分子联合在一起的分子团，显然两个分子组合的排列要比三个分子组合的排列紧密些；当温度升高到4℃以上时，分子热运动加剧，动能增大，吸引在一起的两个分子又逐渐拆开为单个分子，运动的范围更大了，导致水分子间的平均距离变大，密度减小。所以水在4℃时密度最大。
　　上面两种观点虽然都解释了水在4℃时密度最大这一现象，但在没有经过实验严格验证之前，只能称为科学假说，理论本身是否正确还有待人们进一步研究。事实上，为解释自然现象而提出假说，再用实验去验证假说，从而得到正确的理论，正是科学探究的一般过程。
　　
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