桂林医学院风景图:密度的问题

冰比水轻，大家并不觉得奇怪，其实是一件非常奇怪的事。咱们把一团猪油放在锅子里，等它熔化了，再加进一团去。这团凝固的猪油，一定沉到熔化的猪油下面，决不会浮在面上。在锅子里熔锡也一个样。锡块总是沉在融锡下面。差不多所有的物质都一个样，在固态的时候，密度都比在液态的时候大。冰的密度反而比水小，所以能浮在水面上。在自然界中，这种情形是很少见的。

为什么冰的密度反而比水小呢？原因只有一个，就是水在结冰的时候，体积增大了，违背了“热胀冷缩”的常规。

水在结冰的时候体积会膨胀，这倒是大家都知道的常识。冬天到来之前，我们把放在露天的水缸齐口埋在地面下，盖上稻草编成的缸盖，就为的提防水结了冰会把水缸胀破。

有人做过这样的试验：冬天，他在两个炸弹的钢壳里灌满了水，用木塞塞紧了，放在露天过了一夜。第二天早上去看，一个炸弹壳的木塞给冰冲到了六七米以外，口子里长出一条冰柱；另一个炸弹壳裂了一道缝，冰从裂缝里挤了出来。

到了冬天，放在露天的瓦缸都应该倒扣过来，免得积了水会冻裂。露天的自来水管得用稻草包扎起来，结了冰放不出水来还是小事，冻裂了损失可大了。不能耐寒的花树果树和幼小的苗木，也得用稻草包扎。树木的细胞里含的水要是结了冰，会把细胞膜胀破，植物的组织就给破坏了。

到了冬天，砖墙外层涂的水泥往往会整块整块往下掉；水泥铺的场地路面往往会裂缝，甚至拱了起来；都是冰在作怪。水泥只要稍稍有点儿裂缝，雨水就会渗进去；要是一结冰，体积一膨胀，就把水泥给破坏了。

岩石崩裂也是这个道理。岩石的裂缝里积了水，冬天一结冰，体积一膨胀，就把裂缝撑大一点儿；第二年，裂缝里积的水更多了，结了冰，裂缝就撑得更大了。这样年复一年，大块的岩石就从山上崩下山来了。

如果水结冰的时候体积不膨胀，对于我们来说，不就减少了许多麻烦和损失吗？初初想来，这话似乎很有道理，可是再一想，水结冰的时候体积如果收缩，冰的密度不就比水大了吗？不就要沉到水底下去了吗？水面上没有冰，固然可以不妨碍航行，可是水一结冰就沉底，上层的水受了冷不是又要结冰吗？水底的冰越积越多，最后所有的江河湖海，都非连底冻结不可了，而且永远不会融化。太阳的热是达不到海洋的底层的，海洋里的植物动物当然都无法生存。我们知道，陆地上的植物动物最初都是从海边爬上岸来的。海洋连底冻结成冰，陆地上会不会有生物也成了问题。这样一比较，你一定会作出正确的判断来了。

冰不但密度比水小，还不容易传热。水面上结了冰，能保护下层的水，使下层的水冻结得稍稍慢一点儿。即使较小的池塘河沟，到了冬天连底冻结还是很少见的。连北冰洋的厚厚的冰块下面，海水还照常流动，鱼还在自由自在地游泳。

水在结冰的时候体积要膨胀，如果硬不让它膨胀，温度即使降到0℃以下，水仍旧结不成冰。换句话说，水受了压力，凝固点就会降低。有人把水放在坚固的钢筒里做过实验，证明了这个设想。

海水温度是海水的一个重要的理化指标。海水温度实际上是度量海水热量的重要指标。每天海水温度都会随着太阳的辐射而发生变化。大洋表层水温每天变化很小。一般不会超过0.4℃。浅海的海水表层每天的温度变化较大，常常可以达到3到4℃以上。海水表层温度的每日变化会通过海水向更深层海水传导，不过影响的最大深度不会超过50米。

表层水温的每日变化的最高值和最低值出现的时间与太阳的辐射强度有直接的关系。每天中午12点左右是每天太阳辐射最强的时候，海水的最高温度一般会在午后2点左右出现；每天夜间海水的温度都会降低，到凌晨4点海水的温度会下降到全天最低点。

为什么每天海水的温度变化总是滞后于太阳辐射的变化呢？因为太阳辐射的热量大部分用于蒸发海水，只有一小部分用于升高水温，由于海水的比热比空气大得多。因此，水温上升的过程十分缓慢，出现了海水温度最高值比太阳辐射最强时间滞后的现象。同样，海水降温的过程也进行得比较缓慢，形成了最低水温要比太阳辐射的最弱时间晚得多得现象。

每年海洋表层水温总是受到太阳辐射、海流和盛行风变化的影响。赤道和高纬度海区表层水温的年变化相对比较小，一般为1到2℃，中纬度变化最大，尤其史在北纬35度附近，表层水温年变化可以达到12℃。表层以下各层水温的年变化比较小。海水越深，水温越低，而且深层海水的水温年变化幅度也越来越小。不过，在大洋底层的海水由于受到地壳内岩浆活动的影响，温度会出现异常的变化。

水在摄氏4度时密度最大之谜
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300多年前，人类就已知道水在摄氏4度时密度最大这一现象。虽然这一现象仅仅是由于水的分子结构造成的，但对于水的这种特性，人们至今仍不能作出科学的解释。
日本物质材料研究机构物质研究所研究员三岛修和铃木芳治通过实验证实，在低温条件下两种非晶态冰之间存在不连续性转移。在低温情况下，低密度水和高密度水呈完全不同的形态。这项研究不仅首次解释了水在摄氏4度时密度最大的现象，而且在生态系统、水溶液系统等与水有关的领域有广泛的研究与应用价值。该成果发表在最新一期的《自然》杂志上。
多年来，科学家通过理论计算与实验，一直在进行水的非晶态多样性研究。水通常在摄氏零度时结冰。但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态，称作过冷却水。当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态，既低密度水和高密度水。与此相对应，也存在低密度和高密度两种非晶态冰。由于水在低温时易于结冰，也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论，水的非晶态多样性学说存在很多争论。其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移。
日本科学家的这项研究，观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程。发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀，在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向 L DA转移。在转移过程中，出现两种成分共存状态，随着时间推移， H DA和LDA逐渐分离。研究证实，低温下两种水之间的转移是不连续的。 科学家认为，这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破，将对今后过冷却水等研究产生重大影响，同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究。如果今后能够控制这两种水的临界点，就可以自由控制水的结晶，对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值。