水（化学式为H₂O），在常温常压下为无色无味的透明液体，是地球上最常见的物质之一，地球表面约有71%被水覆盖。地球上水的体积大约有 1，360，000， 000 立方公里。海洋占了1，320，000，000立方公里（97.2%）；冰川和冰盖占了25，000，000立方公里（1.8%）；地下水占了13，000，000立方公里（0.9%）；湖泊、内陆海，和河里的淡水占了250，000 立方公里（0.02%）；大气中的水蒸气在任何已知的时候都占了13，000立方公里（0.001%）。

虽然水是许多物理常数的标准，但是它本身却具有一些特殊的物理性质。和绝大多数物质凝固时体积缩小、密度增大的情况不同，水结冰时体积变大，密度减小；和绝大多数物质的密度随着温度的降低而增大的情况不同，水的密度在277.14K时有一个最大值；为1.0×10³kg/m³，温度高于3.98℃时（也可以忽略为4℃），水的密度随温度升高而减小 ，在0～3.98℃时，水热缩冷涨，密度随温度的升高而增加。在所有固态和液态物质中，水的比热容最大；水的分子量虽然不大，但其沸点和蒸发热却相当高；同族同类型化合物的沸点及凝固点一般皆随分子量的增加而增高，而水与其同族分子量比它大的同类物的沸点及凝固点还要高；在众多的物质中，水的介电常数特别大，因此也是特别优良的极性溶剂。

水是维持生命的重要物质，一切生命活动都是起源于水的。人体内的水分，大约占到体重的65%。其中，脑髓含水75%，血液含水83%，肌肉含水76%，连坚硬的骨骼里也含水22%呢！没有水，食物中的养料不能被吸收，废物不能排出体外

水是农业和林业的命脉。

一、目前对水的认识

水——最宝贵的自然资源，是人类赖以生存的物质条件。

水也是能源。

           二十世纪年需水量           (km³)

1. 水是最普遍、最奇特、我们最熟悉、最不清楚的一种化合物

前苏联的一位院士讲：“水结构特点尚未识破，关于水的科学不能夸大成绩，到目前为止我们只有一点近乎合理的假说，还没有一个理论能解释水的全部异常特点和在不同介质、不同热动力状态中的十分奇怪的性状。”

前苏联的另位院士讲：“由于揭露天然水的秘密而新的有机化学可能蓬勃兴起。”

2. 水的奇异性质

1) 水在常温常压下是液态

A. 烷类

在基本的有机化合物中，与水(H₂O   18)有相近的融点、沸点的化合物并不多，只有苯(C₆H₆   78)、甲酸(CH₂O₂   46)和醋酸(C₂H₄O₂   60)。然而，这些物质的相对分子质量比水要大得多。

2) 水在4℃时密度最大

绝大部分物质是热胀冷缩，随着温度的升高密度在减小，例如图中的汞。而水在4℃时密度最大，如图所示。

3) 相对介电常数

大部分物质的相对介电常数ε_r为3~5， ε_r水=80. 4  (20℃)。

电磁波（光）在真空中传播速度

电磁波（光）在多数介质中传播速度 

多数介质的折射率：

大部分物质(除铁磁介质外)  

而水的折射率：n_水=4/3    ε_r=80.4 (20℃)

   气态水：t=100℃ ε_r=1.0060       固态水：t=0℃   ε_r=74.6

4) 热容量

水的热容量1卡/克，比多数物质高5~30倍。除汞和液态水外，一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。

5) 冰点与沸点

前苏联院士以水的相对分子质量为18，用类推法得出：水的冰点、沸点应分别为-91℃和-73℃。而实际上水的冰点和沸点分别为0℃和100 ℃ ，相差甚远，比这一推算值分别高出了91℃和173℃。

压力和水的冰点之间存在着另一种奇异的关系：在2200个大气压以下，随着压力的增加冰点降低；越过2200个大气压以后，水的冰点随压力增加而升高。

6) 熔化热

水的熔化潜热很高，0℃和一个标准大气压下，大约为333．69 J／g。纯铁的熔化潜热为25 J／g，硫的是39．8 J／g，铅的是23 J／g。

还有一个异常的特点：冰在一个大气压力下-7℃时，熔化潜热并不是333．69 J／g，而是301．45 J／g！这真是一个不容争辩，而且相当难以置信、出乎意料的异常特性。

7) 表面张力与毛细管

18℃时水的表面张力是72×10^-5  J／cm²

酒精的表面张力为22×10^-5  J／cm²

丙酮为24×10^-5  J／cm²

汽油为29×10^-5  J／cm²

比水重8倍的东西，比如保险刀片和针等能够平放在水面上而不会沉入水下。

水所具有的较强的表面张力控制着土壤和植物中的水分存在状况，影响着地球表层的自然地理现象。

水还有一个奇怪的性质，就是在细玻璃管(毛细管)中可以观察到附着性。

15℃时水的极限毛细上升高度，粗砂为 0. 2m，细砂为1. 2m，而纯粘土则为12m。

粗毛管为5~10天，细毛管16个月。

注：这在土壤物理学上有着重大的实际意义。

8) 结合水可以处在过冷状态

以极薄的膜(厚度为万分之几厘米)紧紧吸附在固体上的水叫作“结合水”。 结合水可以处在过冷状态，它的密度、热容量、冻结温度、介电常数、粘滞性、导电性、导热性、溶解能力都与液态水不同。

毛细管中的水或生物体内的水(间隙水)能在-100℃不冻。

注：关于结合水的研究还有大量基础工作需要做。

9) 汽化热

汽化热不是水所特有的，只是水的汽化热超乎寻常的高。

注：水的汽化热为研究水的结构提供信息。

10) 动力黏滞性(内摩擦力)

水的这个性质在通过孔隙介质(比如土壤、农作物)的渗透过程中有很大意义。

0℃条件下，纯水的动力黏滞系数为1．789×10²  Pa· s，而100℃时只是0．282×10²  Pa·s，少了约5／6。汞的黏滞系数为例，0℃时等于1．69×102  Pa·s，100℃时为1．22×10²  Pa·s，仅仅减少了7％。水蒸气的黏滞系数，15℃时只有0．98  Pa·s，即比同温度下水的黏滞系数小得多，差了180倍。

水的黏滞性高和表面张力大，合起来的作用使农田水分流失较慢，无需经常灌溉；反之，如果水分流失较快，就需要经常灌溉。

注：研究节水农业的一个重要途径。

3. 引起水性质奇异的原因 

1) 水分子的构造

2) 水的分子团构造

具有偶极子结构的水分子之间，氢原子与氧原子还可以形成氢键结合。这是水特殊构造形成的主要原因。

氢键结合能约20   kJ／mo1，如此小分子其聚集能量密度是很高的。

3) 水分子团的动态构造

由水分子之间形成的分子团是一种动态构造。

在极短的时间内，于其平衡位置振动和排列，并不断有水分子脱离和加入某一个分子团。

正是这种结构的存在和动态稳定形式，才使水及其溶液产生了种种特异的性质和功能。

20世80年代兴起的团簇的研究证实，原子、分子团簇是由几个、几十个甚至上百、上千个原子、分子或离子集聚而成的一种特殊的物质形态。物质在团簇层次上有许多奇异新颖的物理、化学现象。

二、用物理思维方式对水的一点研究

物理学的基本思想是：“世界是有规律的，人类的智慧是能够认识这些规律的。”

无论水的性质多么奇异，奇异性质背后有其必然联系，有其必然结构，有其必然机理。

1. 拟合水介电常数的经验公式

2. 以水的冰点和沸点以依据，推算冰点、沸点时水的平均聚合度n。

水的冰点0℃时水的相对平均质量为293，其平均聚合度n=293/18=16. 3。

在水的沸点100℃，液态水的相对平均质量为187，平均聚合度n=10. 3。

3. 对水的平均聚合度n的理解

借鉴麦克斯韦气体分子速率分布的研究方法，用类比法研究水的聚合度n。

聚合度仅仅是一个统计平均值，实际n=1，n=2，..，n=相当大，同时存在，并在不停地变化。

三、对物质含水量的测量

水结构不清楚和水的奇异特性，决定了水分测量的困难。

物料含水有三种结构：

1)游离水  充满在物料中的狭窄而微细的孔隙中的毛细管水。

2)膨胀水  被胶体粒子所吸收而渗透入内的水。

3)吸附水  被分子力场束缚在胶体表面的水。有时也简称为两种结构：自由水、束缚水。

粮食水分含量的多少有两种不同意义。一方面含有适当水分是粮食维持生命和保持粮食同有的色、气、味、种用品质和食用品质所必须的；另一方面水分影响粮食储藏和加工。

直接法是通过干燥或化学反应后直接测出粮食的绝对含水量，测量精度高，但浪费时间。间接法是通过测量与水分有关的物理量间接测出粮食水分含量。

农业中需要测量水分的另一个重要领域是土壤水分测量。

由于各种电测法简单、快捷，倍受重视。凡是把土壤作为测量回路中的一部分，在土壤中有传导电流的电测量方法都将引入较大的误差。

在研究水的结构和其奇异特性时，提出一种新的水分测量方法——微波红外温度法。

微波红外温度水分测量法的突出特点是：

1)不接触样品，不破坏样品结构。

2)速度快，测量一个样品仅需10秒钟。

3)所需样品少，几十克即可。

4)可用于现场，例如测量土壤断层水分分布。

5)具有较高精度，分辨率0. 2%，完全满足工程需要。