都說熱脹冷縮,可水為什麼能熱縮冷脹?

一般情況下，物體的溫度升高後，分子間的平均距離會增大，這樣物體的體積就會增大，這就是經常說的熱脹冷縮。我小的時候遇到過這樣一個問題：什麼東西冷的時候縮小，熱的時候膨脹？當時給的答案是溫度計中水銀柱的通道。也有人說答案是人，因為人冬天穿得多夏天穿得少。如果是這樣的話，那只能當作是段子了。

現在我已經知道，有一些物質會存在熱縮冷脹的性質。比如我們生活中常見的水，一般情況下提到水的密度，會認為是，並以此作為標準定義出其他物體的密度。水的密度是會隨溫度變化的，在4攝氏度時水的密度最大，此時水的密度被定義為1克每立方釐米，其他溫度下水的密度都要小於1克每立方釐米。

上圖就是水的密度隨溫度的變化圖，從中可以看到，溫度超過4攝氏度時，水的密度會隨溫度的升高而降低，此時水錶現出熱脹冷縮的性質。當溫度在0攝氏度至4攝氏度之間時，水的密度會隨溫度的升高而增大，這就表現為熱縮冷脹，這種現象被稱作反常膨脹。

水為什麼會出現熱縮冷脹的現象，需要深入到分子層面去分析。幾個水分子可以通過氫鍵結合成締合分子，水變為固體時體積會膨脹，這是因為水分子依靠氫鍵締合在一起，此時分子間比較鬆散，故密度會變小。

當對冰或者雪花進行加熱，水分子間的氫鍵會不斷發生斷裂，待變為0攝氏度的水時，仍有約85%的分子間氫鍵沒有發生斷裂，此時水的密度還可以進一步增大。溫度進一步升高，分子間氫鍵就會進一步斷裂，氫鍵斷裂使水分子的排列更加緻密，這種使水的密度增大的作用如果超過了溫度升高使得分子熱運動加劇導致的密度減小，水就表現出了熱縮冷漲。

除了水，熔融的二氧化矽、金屬銻等也能夠表現出熱縮冷脹的性質。從微觀上看，它們具有這種性狀和水具有這種性質是類似的。