一立方的冰能化成一立方的水嗎?

2020-12-25 宇宙新思維

先說答案,一立方的冰化不成一立方的水。

大家都知道「熱脹冷縮」這句話,說的是物體在溫度升高時體積變大,而在溫度降低時體積變小。原理簡單地說就是構成物質的分子在溫度升高時動能增加,分子的平均自由程增加,所以表現為熱脹,往深了說就是構成物質的原子的原子核自轉速度和核外電子的運動速度在外部能量的激發下增大,導致核外電子的離心趨勢增大,拉大了和原子核的距離,進而削弱了它們之間的電場力,其低能級的最外層電子脫離原子核的束縛成為自由電子,最終使物質密度變小;反之就是冷縮。

原子結構

絕大多數物質是遵守熱脹冷縮這個原理的,但凡事總有例外:「水」這種物質就比較特殊,它是典型的特例。當然不是說水這種物質就完全不遵循「熱脹冷縮」這個原理了,水在4℃時密度最大,4℃以上的水還是遵守熱脹冷縮的,水在煮沸時會漫出來就說明了這一點;但在4℃以下,水就會發生反常膨脹現象,也就是「熱縮冷脹」了。因為水這種物質中含有一種東西――氫鍵(O-H):

氫鍵

這個氫鍵把每個水分子以一定的距離連在了一起形成晶體,格外佔空間,並且隨著溫度的下降,它在水中的數量越來越多,下圖就是冰水晶體結構示意圖,其中藍色的就是氫鍵。水分子距離增大,因此出現「冷脹」現象。

冰水晶體結構示意圖

冰是0℃的固態水,它的溫度低於4℃,所以它會熱縮冷脹,最終密度變為0.9,同等質量的水,固態冰的體積要大於液態水的體積,冰化為水溫度要升高,體積卻變小,因此一立方的冰化成液態水的體積肯定要小於一立方,是化不成一立方液態水的。

在生活中水的這種現象是很常見的,冬天沒採取保溫措施的水管容易凍裂就是因為水結成冰後體積變大的緣故。

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