石弘
如果有人問你物質(zhì)由液態(tài)凝固成固態(tài)時,體積是變大還是變小,你的第一反應一定是變大,因為我們在生活中見到很多水的凝固現(xiàn)象,如夏天把水放入冰箱制冰,拿出來時冰總是從制冰盒鼓出來;冬天室外的自來水管往往會被凍裂等,這些現(xiàn)象好像都證明了物質(zhì)凝固時體積是要變大的,但從物理角度看,固體相比液體分子間的作用力更大,分子排列會更緊密,所以同一物體固態(tài)時的體積應該比液態(tài)時的小,生活中也有很多現(xiàn)象能證明這個觀點,例如。燃燒的蠟燭凝固后表面是內(nèi)凹的,家里熬的豬油凝固后表面內(nèi)陷等。為什么水在凝固時會出現(xiàn)跟其他物質(zhì)截然相反的結(jié)果呢?這是由水的反常膨脹引起的。
一般物質(zhì)由于溫度影響,其體積會熱脹冷縮,溫度計就是利用液體熱脹冷縮的性質(zhì)制成的,但也有少數(shù)物質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi)卻是熱縮冷脹的,如圖1所示是通過實驗得到的水的體積隨溫度變化的圖象,由圖象可以看出,冰跟其他物質(zhì)一樣,隨著溫度的升高體積變大,但在冰熔化成水時,體積變小,水在由0℃升高到4℃時,其體積不但不增大。反而縮小,當水的溫度高于4℃時,它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹,由此得出,冰在受熱時與一般物質(zhì)相同,是膨脹的,遇冷則收縮,水在4℃以上也是熱脹冷縮的,只有在0℃到4℃范圍內(nèi)的水與一般物質(zhì)不同。是熱縮冷脹的,我們把這種現(xiàn)象叫作水的反常膨脹。
水為什么會出現(xiàn)反常膨脹呢?科學家已經(jīng)找到了答案,水的反常膨脹現(xiàn)象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋,由于同學們知識上的局限,可能現(xiàn)在還無法弄懂氫鍵和締合水分子理論,隨著不斷地深入學習,相信大家今后會逐漸了解氫鍵和締合水分子理論,弄懂水反常膨脹的原因。
水的反常膨脹對我們生活的大自然有著神奇的影響。例如,江河湖泊里,當冬季氣溫下降時,若水溫在4℃以上,上層的水會先冷卻,由于此時水還是正常膨脹,所以冷水體積縮小,密度變大。會下沉到水的底部,而下層的暖水就升到上層來,這樣,上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置(對流)。使整個水溫逐漸降低,這種熱對流現(xiàn)象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止,當水溫降到4℃以下時,由于水的反常膨脹,上層的水反而體積膨脹,密度減小,于是冷水層停留在上面繼續(xù)冷卻,一直到溫度下降到0℃時,上面的冷水層開始結(jié)冰,由于冰的密度比水小,所以冰一直浮在水面上而不下沉,冰下面的水,從上到下溫度為0℃到4℃,如圖2所示。所以冬季江河湖泊的水結(jié)冰是從上到下逐漸結(jié)冰的,當冰封水面之后,水的冷卻就完全依靠水的熱傳導方式來進行,由于水的導熱性能很差,因此湖底的水溫仍保持在4℃左右,水中的動植物在水底就可以安然過冬。如果水在0℃-4℃不是反常膨脹,也像其他大多數(shù)物質(zhì)那樣,熱脹冷縮,那么溫度較高的水的密度小,不斷升到水面,向空氣散熱。湖泊中水就會從湖底開始凍結(jié),最后全部封凍,水中的動植物就不可能在寒冷的季節(jié)里生存下來,看到這里,你是不是覺得大自然真是太神奇了!
水的反常膨脹同時也給人們的生產(chǎn)、生活帶來一些破壞作用,例如,冬天室外的水管被凍裂、汽車的水箱被凍裂都是因為外面的鐵熱脹冷縮,而里面的水結(jié)冰時體積變大,反常膨脹導致的。
賈任編輯 蔡華杰