熱脹冷縮與冷脹熱縮：水有冷脹熱縮規(guī)律，也有熱脹冷縮規(guī)律

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熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性，這個現(xiàn)象非常普遍，也就是通常所講的“熱脹冷縮”現(xiàn)象。但是，水在某些溫度（4°C以下）范圍內(nèi)受熱時收縮，遇冷時會膨脹，恰與一般物質(zhì)特性相反，這稱為冷脹熱縮。

一、物質(zhì)的熱脹冷縮

熱脹冷縮，通常是指外壓強不變的情況下，大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時，其體積增大；在溫度降低時，其體積縮小的現(xiàn)象。一句話概括：物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮。這是由于物體內(nèi)的粒子(原子)運動會隨溫度改變，當(dāng)溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹；但當(dāng)溫度下降時，粒子的振動幅度便會減少，使物體收縮。

物體都有熱脹冷縮的現(xiàn)象，日常生活中我們可以利用這種現(xiàn)象解決一些困難。

日常生活中，熱脹冷縮時出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1．有時候夏天路面會向上拱起，就是路面膨脹，所以路面每隔一段距離都有空隙留著，也叫沉淀縫。

2．買來的罐頭很難打開，是因為工廠生產(chǎn)時放進(jìn)去的是熱的，氣體膨脹，冷卻后里面氣體體積減小，外面大氣壓大于內(nèi)部，所以難打開；而微熱罐頭就很容易打開了。

3．溫度計，濕度計，都是測量的儀器，可以準(zhǔn)確的判斷和測量溫度。利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮等的現(xiàn)象為設(shè)計的依據(jù)。

4．夏天，電工在架設(shè)電線時，如果把線繃得太緊，那么到冬天，電線受冷縮短時就會斷裂。所以一般夏天架設(shè)電線時電線都要略有下垂。

(熱脹冷縮)

另外，如果我們把一瓶熱水和一瓶冷水同時放進(jìn)冰箱，你會發(fā)現(xiàn)熱水比冷水更快結(jié)冰。這也是非常奇怪的現(xiàn)象。

二、水的冷脹熱縮

水是一個“神奇”的物質(zhì)，水在4℃以上遵循“熱脹冷縮”的規(guī)律，但在0℃以上4℃以下則會變?yōu)椤?/span>熱縮冷脹”。導(dǎo)致隨著溫度下降，體積反而增大，這對水中的動物、植物的生存有著重要的影響和意義.。

（水在4℃以上時“熱脹冷縮”）

水在4℃以下會冷脹熱縮，而到冰時密度更小，這就意味著冰會浮在水面上。另外，銻、鉍、鎵和青銅等物質(zhì)在某些溫度范圍內(nèi)受熱時收縮，遇冷時也會膨脹。

我們都知道自然界的水總是先從表面開始冷卻，4℃以上的水在降溫的過程中，由于熱脹冷縮的原理，上層水的密度會大于下層水的密度，即密度差，于是上層水會下沉，下層水會上升，形成水體對流，即密度流，這種現(xiàn)象對水產(chǎn)養(yǎng)殖不利。

在水溫從4℃向0℃降低的過程中，由于“熱縮冷脹”，此時上層水的密度小于下層水的密度，上層的水便不會再下沉，下層的水也不會再上升。于是沒有了水的對流，水的溫度便不再均勻，此時也稱為水的分層（水溫分層）。平時發(fā)生水的分層應(yīng)人為打破分層，可以開動增氧機(jī)或借用風(fēng)力來混合水體。當(dāng)表面的水結(jié)冰后，河底的水溫仍然可能在4℃左右，這就是“河面結(jié)冰，冰下有魚”的場景。

總之，在溫度由0℃上升到4℃的過程中，水的密度逐漸加大；溫度由4℃繼續(xù)上升的過程中，水的密度逐漸減??；在4℃時，水分子的間距最小，水的密度最大，水的體積最小，所以，水在4℃時的密度最大。水在0℃至4℃的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出“冷脹熱縮”的現(xiàn)象，也稱為反常膨脹。

具體地說，水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運動兩個因素決定。當(dāng)溫度升高時，水分子的熱運動加快、締合作用減弱；當(dāng)溫度降低時，水分子的熱運動減慢、締合作用加強。綜合考慮兩個因素的影響，便可得知水的密度的兩個變化規(guī)律均有之：水有冷脹熱縮規(guī)律，也有熱脹冷縮規(guī)律。

水溫超過4℃時，水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響，所以在水溫由4℃繼續(xù)升高的過程中，水的密度隨溫度升高而減小，即呈現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象。

三、水的0℃和4℃

當(dāng)寒冷的冬天來臨后，隨著氣溫的降低，江河湖泊以及所有水體中的水溫也隨之下降。舉例假設(shè)如下：

設(shè)湖水（水溫）處于10℃，再設(shè)湖面上空氣的溫度（氣溫）為-10℃，于是水表面的水就會變冷。

再水溫降到9℃，這部分水因變冷而收縮，其密度比底下較暖的水為大，因而沉入下面密度較小的水中，下面的 10℃的水上升，冷水的下沉引起一個混合過程，此密度流過程一直持續(xù)到所有水冷卻到4℃為止。

但是表面的水還要被冷空氣繼續(xù)冷卻降溫，表面水的溫度進(jìn)一步降低，又比如降到3℃，這部分水的體積不但不縮小反而膨脹，即表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉，水的對流和混合此時都停止了，當(dāng)然擴(kuò)散不會停止，表面下的水基本上靠熱傳導(dǎo)散失內(nèi)能，水是熱的不良導(dǎo)體，這樣散熱是比較慢的.表面水的溫度，先于下面的水降至0℃開始結(jié)冰。冰的密度比水小，所以，冰會浮在水面上而不下沉，所以多稱為浮冰。

（冰下魚游動）

冰下面的水，從上到下溫度為0到4℃，從上到下逐漸結(jié)冰，由于通過熱傳導(dǎo)而向上散熱比較慢，并且有地?zé)嵊傻紫孪蛏蟼鲗?dǎo)，因此凍結(jié)的速度是緩慢的。若水很深，水是不會被凍透的，水中的生物就可以在靠近4℃左右的水中安然過冬而免遭凍死.。

四、4℃的水與“千克”(公斤)的關(guān)系

1799年12月，人們用一立方分米4℃水的質(zhì)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。“千克”或“公斤”重量單位就是這么來的。

五、水的特殊變化：在4℃以上會熱脹冷縮，而在4℃以下會冷脹熱縮

對于一般的物體，熱脹冷縮定律是成立的。當(dāng)物體溫度升高時，分子的動能增加，分子的平均自由程增加，所以表現(xiàn)為熱脹；同理，當(dāng)物體溫降低時，分子的動能減小，分子的平均自由程減少，所以表現(xiàn)為冷縮。

一般來說，氣體熱脹冷縮最顯著，液體其次，固體最不顯著。因為氣體分子之間的引力比液體和固體分子之間的引力小，受溫度的影響就更容易一些。在液態(tài)水變成固態(tài)水時，即水凝固成冰、雪、霜時，水分子的排列比較“松散”，因此，雪、冰的密度比較小，就會浮在水面上。也就是說，大部分物質(zhì)從液體變成固體的時候，它的體積會減小。

但是，當(dāng)水結(jié)成冰的時候，它的體積反而會變大，密度會減小，而且水在4℃的時候密度最大。這個現(xiàn)象跟大家固有的常識是相反的，這個反?，F(xiàn)象稱為水的熱縮冷脹。

以上可以說明：接近水表層溫度變化比較大，而向水深處溫度變化逐漸逐漸地減小。這是因為：在陽光照射之下，水表層溫度升高比較快，而水的比熱大、又是熱的不良導(dǎo)體，所以水體中下層溫度變化緩慢、微小。距離水面越遠(yuǎn)（水越深），溫度變化越小，水底溫度比較于水面溫度要低。

六、水的密度與水體分層

根據(jù)"水在4℃密度最大"的這個特點，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(shù)情況下是有差異的，導(dǎo)致水體(水溫)分層形成，最終發(fā)生水的對流，即密度流。如果水底層溫度高于水表層溫度，在這種情況下隨著底層的高溫水上行，容易引發(fā)底質(zhì)沉渣泛起，較易發(fā)生缺氧翻塘，須慎之！應(yīng)提前開動增氧機(jī)打破水的分層。

（圖源：蝦蟹六點半。作者：袁鴻沛）

水體(水溫)分層的現(xiàn)象與水產(chǎn)養(yǎng)殖密切相關(guān)。在冬天，當(dāng)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，然后大多到4℃時就停止變化，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小，密度大的沉在下面，因此，在夏天和冬天時將水體盡量加深，有益于水生動物避暑和防寒。另外，平時發(fā)生水的分層（水溫分層）也對水產(chǎn)養(yǎng)殖不利，應(yīng)人為打破分層，可以開動增氧機(jī)或利用水面風(fēng)力來攪動、混合水體，使整個水體渾然一體。

（資料綜合修編：劉文?。?/span>

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