水结冰时体积膨胀原理

⽔结冰时体积膨胀原理
⽔结冰时体积膨胀原理
⼀般情况下，物体遵守热胀冷缩，也就是对于同⼀物体“固体的密度应⽐液体⼤”
可是⽔却相反，这原因涉及到化学。

在⼀般情况下，当物体的温度升⾼时，物体的体积膨胀、密度减⼩，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。

然⽽⽔在由0℃温度升⾼时，出现了⼀种特殊的现象。

⼈们通过实验得到了ρ－t曲线，即⽔的密度随温度变化的曲线。

在温度由0℃上升到4℃的过程中，⽔的密度逐渐加⼤；温度由4℃继续上升的过程中，⽔的密度逐渐减⼩；⽔在4℃时的密度最⼤。

⽔在0℃⾄4℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。

⽔的反常膨胀现象可以⽤氢键、缔合⽔分⼦理论予以解释。

物质的密度由物质内分⼦的平均间距决定。

对于⽔来说，由于⽔中存在⼤量单个⽔分⼦，也存在多个⽔分⼦组合在⼀起的缔合⽔分⼦，⽽⽔分⼦缔合后形成的缔合⽔分⼦的分⼦平均间距变⼤，所以⽔的密度由⽔中缔合⽔分⼦的数量、缔合的单个⽔分⼦个数决定。

具体地说，⽔的密度由⽔分⼦的缔合作⽤、⽔分⼦的热运动两个因素决定。

当温度升⾼时，⽔分⼦的热运动加快、缔合作⽤减弱；当温度降低时，⽔分⼦的热运动减慢、缔合作⽤加强。

综合考虑两个因素的影响，便可得知⽔的密度变化规律。

在⽔中，常温下有⼤约50％的单个⽔分⼦组合为缔合⽔分⼦，其中双分⼦缔合⽔分⼦最稳定。

多个⽔分⼦组合时，除了呈六⾓形外（如雪花、窗花），还可能形成⽴体形点阵结构（属六⽅晶系）。

每⼀个⽔分⼦都通过氢键，与周围四个⽔分⼦组合在⼀起。

边缘的四个⽔分⼦也按照同样的规律再与其他的⽔分⼦组合，形成⼀个多分⼦的缔合⽔分⼦。

由图可知，缔合⽔分⼦中，每⼀个氧原⼦周围都有——4个氢原⼦，其中两个氢原⼦较近⼀些，与氧原⼦之间是共价键，组成⽔分⼦；另外两个氢原⼦属于其他⽔分⼦，靠氢键与这个⽔分⼦组合在⼀起。

可以看出，这种多个分⼦组合成的缔合⽔分⼦中的⽔分于排列得⽐较松散，分⼦的间距⽐较⼤。

由于氢键具有⼀定的⽅向性，因此在单个⽔分⼦组合为缔合⽔分⼦后，⽔的结构发⽣了变化。

⼀是缔合⽔分⼦中的各单个分⼦排列有序，⼆是各分⼦间的距离变⼤。

在液态⽔变成固态⽔时，即⽔凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合⽔分⼦的形状。

此时，⽔分⼦的排列⽐较“松散”，雪、冰的密度⽐较⼩。

将冰熔化成⽔，缔合⽔分⼦中的⼀些氢键断裂，冰的晶体消失。

0℃的⽔与0℃的冰相⽐，缔合⽔分⼦中的单个⽔分⼦数⽬减少，分⼦的间距变⼩、空隙减少，所以0℃的⽔⽐0℃的冰密度⼤。

⽤伦琴射线照射0℃的⽔，发现只有15％的氢键断裂，⽔中仍然存在有约85％的微⼩冰晶体（即⼤的缔合⽔分⼦）。

若继续加热0℃的⽔，随着⽔温度的升⾼，⼤的缔合⽔分⼦逐渐⽡解，变为三分⼦缔合⽔分⼦、双分⼦缔合⽔分⼦或单个⽔分⼦。

这些⼩的缔合⽔分⼦或单个⽔分⼦，受氢键的影响较⼩，可以任意排列和运动，不必形成“镂空”结构，⽽且单个⽔分⼦还可
以“嵌⼊”⼤的缔合⽔分⼦中间。

在⽔温升⾼的过程中，⼀⽅⾯，缔合数⼩的缔合⽔分⼦、单个⽔分⼦在⽔中的⽐例逐渐加⼤，⽔分⼦的堆集程度（或密集程度）逐渐加⼤，⽔的密度也随之加⼤。

另⼀⽅⾯在这个过程中，随着温度的升⾼，⽔分⼦的运动速度加快，使得分⼦的平均距离加⼤，密度减⼩。

考虑⽔密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。

在⽔温由0℃升⾄4℃的过程中，由缔合⽔分⼦氢键断裂引起⽔密度增⼤的作⽤，⽐由分⼦热运动速度加快引起⽔密度减⼩的作⽤更⼤，所以在这个过程中，⽔的密度随温度的增⾼⽽加⼤，为反常膨胀。

⽔温超过4℃时，同样应当考虑缔合⽔分⼦中的氢键断裂、⽔分⼦运动速度加快这两个因素，综合分析它们对⽔密度的影响。

由于在⽔温⽐较⾼的时候，⽔中缔合数⼤的缔合⽔分⼦数⽬⽐较⼩，氢键断裂所造成⽔密度增加的影响较⼩，⽔密度的变化主要受分⼦热运动速度加快的影响，所以在⽔温由4℃继续升⾼的过程中，⽔的密度随温度升⾼⽽减⼩，即呈现热胀冷缩现象。

在4℃时，⽔中双分⼦缔合⽔分⼦的⽐例最⼤，⽔分⼦的间距最⼩，⽔的密度最⼤，⽔的体积最⼩。

⼀、热凉粥或冷饭时，锅内发出”扑嘟、扑嘟”的声⾳，并不断冒出⽓泡来，但⼀尝，粥或饭并
不热，这是为什么？
把凉粥或饭烧热与烧开⽔是不⼀样的。

虽然⽔是热的不良⾝体，对热的传导速度很慢，但⽔具有很好的流动性。

当锅底的⽔受热时，它就要膨胀，密度减⼩就上浮，周围的凉⽔就流过来填补，通过这种对流，就把锅底的热不断地传递到⽔的各部分⽽使⽔变热。

⽽凉粥或饭，既流动性差⼜不易传导热。

所以，当锅底的粥或饭吸热后，温度就很快上升，但却不能很快地向上或四周流动，⼤量的热就集中在锅底⽽将锅底的粥烧焦。

因热很难传到粥的上⾯，所以上⾯的粥依然是凉的。

加热凉粥或饭时，要在锅⾥多加⼀些⽔，使粥变稀，增强它的流动性。

此外，还要勤搅拌，强制进⾏对流，这样可将粥进⾏均匀加热。

⼆、⽤砂锅煮⾁或烧汤时，当汤⽔沸腾后从炉⼦上拿下来，则汤⽔仍会继续沸腾⼀段时间，⽽铁、铝锅却没这种现象，这是为什么？
因为砂锅是陶⼟烧制成的，⽽⾮⾦属的⽐热⽐⾦属⼤得多，传热能⼒⽐⾦属差得多。

当砂锅在炉⼦上加热时，锅外层的温度⼤⼤超过100℃，内层温度略⾼于100℃。

此时，锅吸收了很多热量，储存了很多热能。

将砂锅从炉⼦上拿下来后，远⾼于100℃的锅的外层就继续向内层传递热量，使锅内的汤⽔仍达到100℃⽽能继续沸腾⼀段时间，铁、铝锅就不会出现这种现象（其原因请同学们⾃⼰分析）。

三、炒⾁中的“见⾯熟”。

逢年过节，⼈们总要炒上⼏个⾁菜，那么怎样爆炒⾁⽚呢？
若将⾁⽚直接放⼊热油锅⾥去爆炒，则瘦⾁纤维中所含的⽔分就要急剧蒸发，致使⾁⽚变得⼲硬，甚⾄于会将⾁炒焦炒糊，⼤⼤失去鲜味。

为把⾁⽚爆炒得好吃，师傅们往往预先将⾁⽚拌⼊适量的淀粉，则⾁⽚放到热油锅⾥后，附着在⾁⽚外的淀粉糊中的⽔分蒸发，⽽⾁⽚⾥的⽔分难以蒸发，仍保持了原来⾁的鲜嫩，还减少了营养的损失，⾁⼜熟得快即“见⾯熟”。

⽤这种⽅法炒的⾁⽚，既鲜嫩味美，⼜营养丰富。

四、冻⾁解冻⽤什么⽅法最好？从冰箱⾥取出冻⾁、冻鸡，如何将其解冻呢？
⽤接近0℃的冷⽔最好。

因为冻⾁温度是在0℃以下，若放在热⽔⾥解冻，冻⾁从热⽔中吸收热量，其外层迅速解冻⽽使温度很快升到0℃以上，此的⾁层之间便有了空隙，传递热的本领也就下降，使内部的冻⾁不易再吸热解冻⽽形成硬核。

若将冻⾁放在冷⽔中，则因冻⾁、冻鸡吸热⽽使冷⽔温度很快降到0℃且部分⽔还会结冰。

因1克⽔结成冰可放出80卡热量（⽽1克⽔降
低1℃只放出1卡热量），放出的如此之多的热量被冻⾁吸收后，使⾁外层的温度较快升⾼，⽽内层⼜容易吸收热量，这样，整块⾁的温度也就较快升到0℃。

如此反复⼏次，冻⾁就可解冻。

从营养⾓度分析，这种均匀缓慢升温的⽅法也是科学的。