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水的密度为什么在4摄氏度最大? 精选

已有 14663 次阅读 2016-12-21 13:01 |系统分类:科普集锦

知乎上有一位同学问我:

您能给我解释下水为什么在4°C时密度最大吗?

我的回答:

这其实是个非常困难的问题,现在都很难给出定量的回答。(这句话的意思是,为什么水在某个温度下密度出现最大值是可以定性解释的,但具体是哪个温度,很难用定量的计算模拟算准。可能有些模拟给出比4度高几十度的数值,有些模拟给出比4度低几十度的数值。比4度低几十度不都结冰了吗?是的,水的熔点也是很不容易算准的,在许多模拟中在零下几十度水还是液体呢。)

冰山

定性的回答大概是这样:温度越低,熵就需要越低,即结构越有序,这是适用于所有物质的普遍原理。绝大多数物质的密度随着温度降低是单调升高的,因为分子之间靠得越近结构越有序。

水的特别之处在于,由于氢键的方向性,最有序的结构是像晶体冰那样的结构,每个水分子周围有四个氢键,指向四面体的四个顶点。这是个很空旷的结构,如果把它扰乱一些,水分子之间反而可以靠得近一点。这就是为什么冰的密度小于液态水的密度。冰能够浮在水面上就是这个道理,这对地球上生命的出现具有重大的意义,在冬天保护了冰面下的生物。

当液态水的温度比较高时,温度下降时结构变得更有序,分子靠近,密度升高,这是跟其他物质相似的常规行为。当达到某个温度时,再进一步下降,结构要变得更有序,就需要向冰结构的方向靠近,分子之间开始远离,密度下降。这两种相反的趋势共同作用的结果,就是在某个温度出现一个密度的最大值。




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