水违背了自然规律?为什么0至4℃的水,会出现“热缩冷胀”?

魅力科学君 2022-10-19 19:00:18

物质受热的时候会膨胀,遇冷的时候会收缩,这被称为“热胀冷缩”,我们常见的物质通常都会出现这种现象,然而有一种物质却是例外,这种物质就是水。

测量数据表明,水的密度会随着温度出现变化,在4℃的时候,水的密度最大,而在0至4℃这个温度范围内,随着温度的下降,水的密度反而会逐渐变小,也就是说,此时水表现出的其实是“热缩冷胀”。

那么问题就来了,为什么0至4℃的水,会出现“热缩冷胀”呢?下面我们就来聊一下这个话题。

从微观的角度来看,温度其实就是构成物质的微观粒子(如分子、原子)热运动的激烈程度,微观粒子的热运动越激烈,物质的温度就越高,反之则越低,这其实可以看成是一种自然规律。

据此我们就可以将“热胀冷缩”这种现象简单地解释为:当物质受热时温度升高,其内部微观粒子的热运动就会更加激烈,它们之间的平均距离就增大了,于是在宏观层面上,物质就会表现为膨胀。反过来讲,当物质遇冷时温度会降低,其内部微观粒子的热运动就相对缓慢,它们之间的平均距离就减小了,所以在宏观层面上,物质就会表现为收缩。

那水为什么会成为例外呢?难道是水违背了自然规律,温度越低,水分子热运动的激烈程度反而会越高?答案当然是否定的。

水是由大量的水分子构成,水分子同样也会遵循自然规律,如果水分子的热运动是影响水密度的唯一原因,那0至4℃的水确实是会“热胀冷缩”,实际上,之所以这种温度的水会出现“热缩冷胀”这种“反常现象”,其实是因为还有其他的机制在影响水的密度。

水分子是由一个氧原子与两个氢原子通过“共用电子对”结合而成,不过在水分子的内部结构之中,“共用电子对”却会强烈地偏向于氧原子这一头,这就会造成水分子的电荷分布很不均匀,具体表现为氧原子这一头带正电,氢原子这一头则带负电。

在这种情况下,水分子中的氧原子就会与相邻水分子中的氢原子产生相互吸引的作用,我们将这种作用称为“氢键”。

对于温度高于4℃的液态水而言,由于水分子的热运动相对比较激烈,一般都是只有少量的水分子通过“氢键”结合在一起,这被称为“缔合分子”,因为它们的分布是杂乱无章的,所以这并不会影响水的密度。

而在0至4℃这个温度范围内,水分子的热运动相对比较缓慢,于是“氢键”就可以“大显身手”了,大量的水分子开始通过“氢键”结合在一起,并且还强烈趋向于在整体上形成一种规则的四面体结构。

这种四面体结构其实很不紧凑,其内部存在着相当大的空隙,这就会增加水分子之间的平均距离,从而导致水的密度减小。

在0至4℃这个温度范围内,温度越低,水分子热运动就越缓慢,形成这种四面体结构的趋势就越强,水的密度也就越小,反过来讲,温度越高,水分子形成这种四面体结构的趋势就越弱,水的密度也就越大,如此一来,就在宏观层面上表现出了“热缩冷胀”这样的效果。

综上所述,水并没有违背自然规律,0至4℃的水之所以会出现“热缩冷胀”,其实是因为在这个温度范围内,“氢键”对水密度的影响超过了水分子热运动。

值得一提的是,在水冻结成冰之后,其内部的水分子几乎全部都通过“氢键”结合在一起,并在整体上完整地形成了四面体结构,在这种情况下,水分子之间的平均距离就会比相同温度下的液态水大得多,其密度也会现明显地降低,正是因为如此,冰才可以轻易地漂浮在水面上。

对于地球上的生命而言,这无疑是一件幸运的事情,毕竟地球上有很多水域都会在冬季出现冰封的情况,如果水在遇冷结冰的时候会收缩,那冰的密度就会比水更大,也就不会漂浮在水面上,如此一来,一旦到了冬季,这些水域的水就会不断地结冰,并源源不断地沉入暗无天日的水底,即使到了夏季不会轻易溶化,久而久之,这些水域基本上就会成为一个大冰块。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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23 阅读:15699
评论列表
  • 2022-10-24 15:31

    一切为了人类而安排

    一驴走来 回复:
    确实很多巧合,完美,挑战着科学。
  • 2022-10-20 08:13

    若没这个规律,高纬度地区的湖里就不会有动植物了。

  • 2022-11-28 00:20

    祢创造了水供我们洗涤供我们饮用,祢也用水洗去我们的罪恶。

  • 明公 13
    2022-10-20 13:16

    水怎么违背自然规律了?水的物理特性就自然规律!

  • JYYX 9
    2022-11-11 10:13

    水就是一种造物主奇迹,没有水如此属性的物质,碳基生命出现就是扯淡... 还有光... 光的属性应该与空间时间物质的本质相关。我们最常见的 水和光 都是非常神奇的物质...

    比目猪 回复:
    你能想明白为什么水是透明的吗?
  • 2022-10-20 09:24

    未必0℃以后就不是体积膨胀?冰都是浮在水面的,所以密度都是小于水的,所以0度以后任然是冷膨胀。

    sunye 回复:
    冰🧊浮在水上说明冰的密度<水,但不能说明冰是热胀冷缩还是热缩冷涨,事实是冰依然符合热胀冷缩规矩[得瑟]
  • 2022-10-23 00:29

    氢键构型影响大于水分子热运动,导致水密度变小冷胀。氢键构型也是水体张力及表面隆起的原因。赞一个!

  • 2022-10-21 13:39

    冰有27种晶体结构,不仅仅是四面体

  • 2022-10-23 00:07

    听说如果冰密度大于水,生命也许只能维持在单细胞生命,生命在寒武纪爆发,如果冰沉入水底,抹杀一切多细胞生命,

  • 2022-11-04 13:20

    小鞭胡说八道!不违背了自然规律?只能说人类还没有认识水的自然规律!![笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭]

    知山海 回复:
    你看完了吗?
  • 2022-10-29 22:25

    水分子是由一个氧原子与两个氢原子通过“共用电子对”结合而成,不过在水分子的内部结构之中,“共用电子对”却会强烈地偏向于氧原子这一头,这就会造成水分子的电荷分布很不均匀,具体表现为氧原子这一头带正电,氢原子这一头则带负电。 在这种情况下,水分子中的氧原子就会与相邻水分子中的氢原子产生相互吸引的作用,我们将这种作用称为“氢键”。 对于温度高于4℃的液态水而言,由于水分子的热运动相对比较激烈,一般都是只有少量的水分子通过“氢键”结合在一起,这被称为“缔合分子”,因为它们的分布是杂乱无章的,所以这并不会影响水的密度。 而在0至4℃这个温度范围内,水分子的热运动相对比较缓慢,于是“氢键”就可以“大显身手”了,大量的水分子开始通过“氢键”结合在一起,并且还强烈趋向于在整体上形成一种规则的四面体结构。 这种四面体结构其实很不紧凑,其内部存在着相当大的空隙,这就会增加水分子之间的平均距离,从而导致水的密度减小。 在0至4℃这个温度范围内,温度越低,水分子热运动就越缓慢,形成这种四面体结构的趋势就越强,水的密度也就越小,反过来讲,温度越高,水分子形成这种四面体结构的趋势就越弱,水的密度也就越大,如此一来

  • 2022-10-21 00:58

    或许可以形象的解释为,水的密度为1,冰的密度0.9,其临界温度为0℃,而0-4℃是水向冰凝结的物理形态过渡期,期间的密度也自然从1趋近于0.9,这就是宏观层面的解释。微观结构层面的解释,则是本文所述。可能,很多类似物理形态变化的情形,都有类似的密度过渡过程,如金属的液化固化。

  • 2022-12-01 17:35

    好文章[点赞]

  • 2022-12-14 11:58

    我放一瓶水在急冻,结冰后瓶子被冰撑得胀鼓起来,虽然重量相差无几,但确实是每个瓶子都胀鼓起来……我开果蔬店的,经常要给农产品放冰保鲜。

  • 2022-10-22 09:28

    形成共用电子对后 应该是电子偏向于氧原子 氧原子表现为负电性 氢原子表现为正电性吧?文章说反了[吃瓜]

  • 2022-10-25 16:43

    领受神的恩典,却不认为是出于神的智慧,神说,要让愚顽的人:看是要看见,却不晓得,听是要听见,却不明白。

  • 2022-10-27 20:17

    上天为水生动植物安排的免于冻死

  • 2022-11-13 17:09

    为什么只有水?

  • 2022-11-27 10:48

    水就是造物主为地球生命生存而造的

  • 2023-01-05 17:02

    小编你懂什么自然现律?水在摄氏4度时密度最大。摄氏4度以上水热胀冷缩,摄氏4度以下冷胀热缩。这就是大自然的规律,你才知道的自然常识。

  • 2022-10-21 00:16

    水受到的温度越高蒸发越怏,当然体积就会减小。

    剑气纵横 回复: 龙魂不灭
    水蒸气有体积?
    龙魂不灭 回复:
    从水蒸发为水蒸气,体积是增大的[呲牙笑]
  • 2022-11-06 12:14

    水到渠成再正常不过

  • 2022-11-16 08:04

    假如水整个过程都是热胀冷缩,就没有了生物了吗?并不会,只是生物进化技能和现在大有不同而已,鱼类很可能发展成两栖或冬眠模式,甚至类似昆虫一样的全变态模式,一到冬天,要么上岸,要么就在冰块内冬眠直到冰化,要么就从鱼形的幼虫形态变身成一个会飞会跑的成虫形态,来年再在冰水里产卵。总之,生命自会找到出路。

    用户17xxx59 回复:
    意思是说,如果冰密度大于水,那么冬天水结冰后会沉入水底,浮上来的水继续结冰沉入水底,一冬天下来就没有液态水了,也就没有办法诞生生命了,即使诞生了生命,也会在冬天冻死。而现在的情况是冬天水面结冰,水下仍然维持在4度液态。
  • 2023-01-14 22:09

    这就是时空互衍的奥秘。

  • 2023-01-15 09:26

    文不对题,你想说什么?

  • 2022-10-25 13:40

    为什么100多度的水会结冰?

    麦丘吉尔 回复: 龙魂不灭
    炒冰
    龙魂不灭 回复:
    会吗?好像听过[得瑟]
  • 2022-11-09 06:12

    水的氢键键角特殊,所以水的相图像个抽象画

  • 2022-12-03 02:21

    水这个物质越冷越硬!高温变成蒸汽挥发了!

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