水在4℃时密度最大的原理与水产养殖的关系
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一、水的反常膨胀现象:热缩冷胀 水是最普通、最常见的物质。所有有生命体征(包括人类)的动、植物的生存都离不开水,水是生命之源。人们把水的凝固点作为记录温度的零点,并把水的沸点定为100℃,即把水的相变点作为自然所有物质温度的标尺。
一般来说,大多数物体都有热胀冷缩的性质,温度越高,物质的密度越小。但水却是一个例外,热胀冷也胀,只有在4℃时候,体积最小。高于4℃或低于4℃时,体积都会膨胀。这种现象被称为“反常膨胀现象”。 我们知道,物质基本上都是热胀冷缩的特性,受到加热,粒子之间运动加快,粒子之间间隙加大,表现密度减小。而低温下恰恰相反,粒子之间运动减小,表现间隙减小,反之密度加大。但这似乎不能解释水的这种现象,为何低温状态下的冰密度会比水小,在这里如果仍用"热胀冷缩"就说不通了。而且,根据现有研究表明,在液态水形态下,它的密度在超冷水状态或者趋于零度时竟然不是最大,而是在4℃时密度最大,这也不适用于热胀冷缩的说法。
二、现在来说说为何4℃时水的密度才是最大的? 通过观测发现,在低于4℃条件下的水,即使没有结冰,早就在水中形成肉眼不可见的冰晶体,这些冰晶体恰恰导致水的密度变大的原因。而温度到达4℃时才能充分融化这些不可察觉的冰晶体,这个时候才能称为完全液态水,密度自然最大。超过4℃,水分子的运动有加快趋势,分子间隙也开始加大,密度也会逐渐加大。所以4℃时是水密度最大的时候。
三、水的三种形式:固态,液态,气态 水的密度肯定也应该是会变化的,如果不会变化,那水的三种形式即固态,液态,气态就不存在。事实上气态是水密度最小的时候,只有这样才会上升天空,形成云。而固态是水密度第二小的形态,由形成的冰漂浮于水可以知道,冰的密度是绝对没有液态状的水大的。由此可以知道,液态水是水的三种形态下密度最大的存在。
四、0℃时 0℃水结成冰时,全部分子缔合在一起成为从而形成一个巨大的群体。在冰的结构中,每个氧原子与4个氢原子相连接而成四面体,每个氢原子与两个氧原子相连结。即氧原子的四个键(两个共价键,两个氢键),指向一个四面体的四个顶点,每个水分子都被四个水分子所包围,如图所示。
因此,冰是一种很不紧凑的结构,内部具有相当大的空。当冰熔解时,一些氢键被破坏,四面体结构被瓦解,水分子可以比较紧密地堆积在一起,因此,冰在熔解时体积要缩小。
五、冰是浮于水面之上的,为什么呢? 原来,当水为固态(冰)时,分子间的相互作用力会使分子按一定的规则排列,分子之间会形成结晶四面体。这种排列方式可以看做类似支撑作用,会占据空间,比较松散,密度自然就没有液态水大,漂浮于水面之上也在情理之中。
六、4℃时 在温度4℃上下,水中有两种使密度发生改变的效应: 一是由于温度升高,液态水的分子热运动加剧,分子间的平均距离增大,致使水的密度减小。 另一种是由于温度升高,水中所含有的冰晶体逐渐熔解,分子间的平均距离减小,致使密度增大。 |
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