热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩现象,也有热胀冷缩规律

热胀冷缩是指物体受热时会膨胀,遇冷时会收缩的特性,这个现象非常普遍,也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。但是,水在某些温度(4°C以下)范围内受热时收缩,遇冷时会膨胀,恰与一般物质特性相反,这称为冷胀热缩。




一、物质的热胀冷缩

热胀冷缩,通常是指外压强不变的情况下,大多数物质在温度升高时,其体积增大;在温度降低时,其体积缩小的现象。一句话概括:物体受热时会膨胀,遇冷时会收缩。这是由于物体内的粒子(原子)运动会随温度改变,当温度上升时,粒子的振动幅度加大,令物体膨胀;但当温度下降时,粒子的振动幅度便会减少,使物体收缩。

(视频:热胀冷缩与冷胀热缩)

物体都有热胀冷缩的现象,日常生活中我们可以利用这种现象解决一些困难。

日常生活中,热胀冷缩时出现以下现象:

1.有时候夏天路面会向上拱起,就是路面膨胀,所以路面每隔一段距离都有空隙留着,也叫沉淀缝。

2.买来的罐头很难打开,是因为工厂生产时放进去的是热的,气体膨胀,冷却后里面气体体积减小,外面大气压大于内部,所以难打开;而微热罐头就很容易打开了。




3.温度计,湿度计,都是测量的仪器,可以准确的判断和测量温度。利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据。

4.夏天,电工在架设电线时,如果把线绷得太紧,那么到冬天,电线受冷缩短时就会断裂。所以一般夏天架设电线时电线都要略有下垂。



(热胀冷缩)

另外,如果我们把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱,你会发现热水比冷水更快结冰。这也是非常奇怪的现象。




二、水的冷胀热缩

水是一个“神奇”的物质,水在4℃以上遵循“热胀冷缩”的规律,但在0℃以上4℃以下则会变为“热缩冷胀”。导致随着温度下降,体积反而增大,这对水中的动物、植物的生存有着重要的影响和意义.。



(水在4℃以上时“热胀冷缩”)

水在4℃以下会冷胀热缩,而到冰时密度更小,这就意味着冰会浮在水面上。另外,锑、铋、镓和青铜等物质在某些温度范围内受热时收缩,遇冷时也会膨胀。

我们都知道自然界的水总是先从表面开始冷却,4℃以上的水在降温的过程中,由于热胀冷缩的原理,上层水的密度会大于下层水的密度,即密度差,于是上层水会下沉,下层水会上升,形成水体对流,即密度流,这种现象对水产养殖不利。




在水温从4℃向0℃降低的过程中,由于“热缩冷胀”,此时上层水的密度小于下层水的密度,上层的水便不会再下沉,下层的水也不会再上升,于是没有了水的对流,水的温度便不再均匀,此时也称为水的分层(水温分层)。平时发生水的分层应人为打破分层,可以开动增氧机或借用风力来混合水体。当表面的水结冰后,河底的水温仍然可能在4℃左右,这就是“河面结冰,冰下有鱼”的场景。

总之,在温度由0℃上升到4℃的过程中,水的密度逐渐加大;温度由4℃继续上升的过程中,水的密度逐渐减小;在4℃时,水分子的间距最小,水的密度最大,水的体积最小,所以,水在4℃时的密度最大。水在0℃至4℃的范围内,呈现出“冷胀热缩”的现象,也称为反常膨胀。




具体地说,水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。当温度升高时,水分子的热运动加快、缔合作用减弱;当温度降低时,水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响,便可得知水的密度的两个变化规律均有之:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律。

水温超过4℃时,水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响,所以在水温由4℃继续升高的过程中,水的密度随温度升高而减小,即呈现热胀冷缩现象。

三、水的0℃和4℃

当寒冷的冬天来临后,随着气温的降低,江河湖泊以及所有水体中的水温也随之下降。举例假设如下:




设湖水(水温)处于10℃,再设湖面上空气的温度(气温)为-10℃,于是水表面的水就会变冷。

再水温降到9℃,这部分水因变冷而收缩,其密度比底下较暖的水为大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的 10℃的水上升,冷水的下沉引起一个混合过程,此密度流过程一直持续到所有水冷却到4℃为止。

但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温,表面水的温度进一步降低,又比如降到3℃,这部分水的体积不但不缩小反而膨胀,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉,水的对流和混合此时都停止了,当然扩散不会停止。表面下的水基本上靠热传导散失内能,水是热的不良导体,这样散热是比较慢的.表面水的温度,先于下面的水降至0℃开始结冰。冰的密度比水小,所以,冰会浮在水面上而不下沉,所以多称为浮冰。



(冰下鱼游动)

冰下面的水,从上到下温度为0到4℃,从上到下逐渐结冰,由于通过热传导而向上散热比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的。若水很深,水是不会被冻透的,水中的生物就可以在靠近4℃左右的水中安然过冬而免遭冻死.。




四、4℃的水与“千克”(公斤)的关系

1799年12月,人们用一立方分米4℃水的质量,确立了“千克”(公斤)这一重量单位。之所以选择4℃,是因在水在这一温度时具有最大的密度。“千克”或“公斤”重量单位就是这么来的。

五、水的特殊变化:在4℃以上会热胀冷缩,而在4℃以下会冷胀热缩

对于一般的物体,热胀冷缩定律是成立的。当物体温度升高时,分子的动能增加,分子的平均自由程增加,所以表现为热胀;同理,当物体温降低时,分子的动能减小,分子的平均自由程减少,所以表现为冷缩。




一般来说,气体热胀冷缩最显著,液体其次,固体最不显著。因为气体分子之间的引力比液体和固体分子之间的引力小,受温度的影响就更容易一些。在液态水变成固态水时,即水凝固成冰、雪、霜时,水分子的排列比较“松散”,因此,雪、冰的密度比较小,就会浮在水面上。也就是说,大部分物质从液体变成固体的时候,它的体积会减小。

但是,当水结成冰的时候,它的体积反而会变大,密度会减小,而且水在4℃的时候密度最大。这个现象跟大家固有的常识是相反的,这个反常现象称为水的热缩冷胀。




以上可以说明:接近水表层温度变化比较大,而向水深处温度变化逐渐逐渐地减小。这是因为:在阳光照射之下,水表层温度升高比较快,而水的比热大、又是热的不良导体,所以水体中下层温度变化缓慢、微小。距离水面越远(水越深),温度变化越小,水底温度比较于水面温度要低。

六、水的密度与水体分层

根据"水在4℃密度最大"的这个特点,表明在一个整体的水体中,它的密度可能是不一致的,即密度差,因为表层水和底层水的温度在大多数情况下是有差异的,导致水体(水温)分层形成,最终发生水的对流,即密度流。如果水底层温度高于水表层温度,在这种情况下随着底层的高温水上行,容易引发底质沉渣泛起,较易发生缺氧翻塘,须慎之!应提前开动增氧机打破水的分层。



(图源:虾蟹六点半。作者:袁鸿沛)

水体(水温)分层的现象与水产养殖密切相关。在冬天,当温度低于4℃时,水面的温度比较低,再向下层水体时,水的温度逐渐增加,然后大多到4℃时就停止变化,所以,冬天的鱼儿多在水体下层活动,以抵御寒冷。正因为水温在4℃时密度最大,上层水的密度一般都小,密度大的沉在下面,因此,在夏天和冬天时将水体尽量加深,有益于水生动物避暑和防寒。另外,平时发生水的分层(水温分层)也对水产养殖不利,应人为打破分层,可以开动增氧机或利用水面风力来搅动、混合水体,使整个水体浑然一体。