这样,热振动扩大分子间距,切断氢键,使组分间距缩小到两种相反的竞争机制,使水在0 ~ 4之间具有异常膨胀的特性。在4时,两种相反机制几乎平衡,水分子间距最小。

水的密度最大。水的温度上升到4℃以上,热振动占据主导地位,水分子间的距离随着温度的升高而加大,水表现为热胀冷缩,水又回到正常的热膨胀特性。经过上面的讨论可知,水的热膨胀过程从微观上看是由于两种相反机制竞争的结果,主要是氢键的存在,导致了它的反常膨胀,也使水具有了吸热量高、比热容大、4℃的水密度最大这些特性。

冬天,气候寒冷,水的表面直接与冷空气接触,很快就变冷了,温度降到4℃的时候,体积最小,比重最大,就会沉到下面。下面温度比较高的水比重小,就会浮上来。经过不断的交换,使所有水的温度都降到4℃。北风吹来,水的温度继续下降,表面的水冷到4℃以下,水就开始冷胀热缩,比重反而比下面的水小。于是就形成3℃的水浮在4℃的水上面,2℃的水浮在3℃的水上面,1℃的水浮在2℃水上面,0℃的水在最上面。气温降到0℃以下,表面0℃的水就开始结冰。

水结了冰,冰层厚度会逐渐增加,但增加的速度是十分缓慢的。因为冰下面的水都已经降到4℃不会发生对流,而且冰是热的不良导体,下层的水在冰的保护下,仿佛盖了一床棉被,不易受寒而冻结成冰。如果水很深,冰可以结的相当厚,但这需要一定的时间。成语“冰冻三尺,非一日之寒”,就是对水结冰这一缓慢过程现象的高度概括。

水结冰这一过程告诉我们自然界的一些现象往往都有一个酝酿和积累的过程,不会一蹴而就,我们认识事物也要遵循这个规律。

今日知识点

中学物理| 热胀冷缩;分子的运动

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