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智虎的一个同学问我:
你能给我解释一下为什么发射水的密度在4℃时最高吗？
我的回答是:
其实这是一个很难的问题 ， 现在很难给出一个量化的答案 。(这句话的意思是可以定性解释为什么水的密度在一定温度下达到最大值 ， 但通过定量计算很难准确计算出具体温度 。一些模拟可能给出比4度高几十度的值 ， 而另一些模拟给出比4度低几十度的值 。零下4度几十度 。不都冻住了吗？是的 ， 水的熔点不容易计算 。在许多模拟实验中 ， 水在零下几十度仍然是液体 。)
冰山
定性的答案大概是这样的:温度越低 ， 熵越低 ， 也就是结构越有序 。这是适用于所有物质的一般原则 。大多数物质的密度随着温度的降低而单调增加 ， 因为分子之间的距离越近 ， 结构越有序 。
水的特殊之处在于 ， 由于氢键的方向性 ， 最有序的结构就像冰晶一样 。每个水分子周围有四个氢键 ， 指向四面体的四个顶点 。这是一个非常空开放的结构 。如果你扰乱它 ， 水分子可以靠得更近 。这就是为什么冰的密度小于液态水的密度 。这就是冰能浮在水面上的原因 ， 对地球上生命的出现有着重要的意义 ， 也保护了冬天冰下的生物 。
液态水的温度相对较高时 ， 当温度下降时 ， 结构变得更加有序 ， 分子接近 ， 密度增大 ， 这是类似于其他物质的普遍行为 。当达到一定温度后 ， 进一步下降 ， 结构变得更加有序 ， 需要向冰结构的方向靠近 ， 分子开始相互远离 ， 密度降低 。由于这两种相反趋势的相互作用 ， 在某一温度下出现最大密度 。
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