热胀冷缩与冷胀热缩：水有冷胀热缩现象，也有

热胀冷缩是指物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩的特性，这个现象非常普遍，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。但是，水在某些温度（4°C以下）范围内受热时收缩，遇冷时会膨胀，恰与一般物质特性相反，这称为冷胀热缩。

一、物质的热胀冷缩

热胀冷缩，通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大；在温度降低时，其体积缩小的现象。一句话概括：物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩。这是由于物体内的粒子(原子)运动会随温度改变，当温度上升时，粒子的振动幅度加大，令物体膨胀；但当温度下降时，粒子的振动幅度便会减少，使物体收缩。

物体都有热胀冷缩的现象，日常生活中我们可以利用这种现象解决一些困难。

日常生活中，热胀冷缩时出现以下现象：

1．有时候夏天路面会向上拱起，就是路面膨胀，所以路面每隔一段距离都有空隙留着，也叫沉淀缝。

2．买来的罐头很难打开，是因为工厂生产时放进去的是热的，气体膨胀，冷却后里面气体体积减小，外面大气压大于内部，所以难打开；而微热罐头就很容易打开了。

3．温度计，湿度计，都是测量的仪器，可以准确的判断和测量温度。利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据。

4．夏天，电工在架设电线时，如果把线绷得太紧，那么到冬天，电线受冷缩短时就会断裂。所以一般夏天架设电线时电线都要略有下垂。

(热胀冷缩)

另外，如果我们把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱，你会发现热水比冷水更快结冰。这也是非常奇怪的现象。


二、水的冷胀热缩

水是一个“神奇”的物质，水在4℃以上遵循“热胀冷缩”的规律，但在0℃以上4℃以下则会变为“热缩冷胀”。导致随着温度下降，体积反而增大，这对水中的动物、植物的生存有着重要的影响和意义.。

（水在4℃以上时“热胀冷缩”）

水在4℃以下会冷胀热缩，而到冰时密度更小，这就意味着冰会浮在水面上。另外，锑、铋、镓和青铜等物质在某些温度范围内受热时收缩，遇冷时也会膨胀。

我们都知道自然界的水总是先从表面开始冷却，4℃以上的水在降温的过程中，由于热胀冷缩的原理，上层水的密度会大于下层水的密度，即密度差，于是上层水会下沉，下层水会上升，形成水体对流，即密度流，这种现象对水产养殖不利。

在水温从4℃向0℃降低的过程中，由于“热缩冷胀”，此时上层水的密度小于下层水的密度，上层的水便不会再下沉，下层的水也不会再上升，于是没有了水的对流，水的温度便不再均匀，此时也称为水的分层（水温分层）。平时发生水的分层应人为打破分层，可以开动增氧机或借用风力来混合水体。当表面的水结冰后，河底的水温仍然可能在4℃左右，这就是“河面结冰，冰下有鱼”的场景。

总之，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；在4℃时，水分子的间距最小，水的密度最大，水的体积最小，所以，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，也称为反常膨胀。

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，便可得知水的密度的两个变化规律均有之：水有冷胀热缩规律，也有热胀冷缩规律。

水温超过4℃时，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。

三、水的0℃和4℃

当寒冷的冬天来临后，随着气温的降低，江河湖泊以及所有水体中的水温也随之下降。举例假设如下：

设湖水（水温）处于10℃，再设湖面上空气的温度（气温）为-10℃，于是水表面的水就会变冷。

再水温降到9℃，这部分水因变冷而收缩，其密度比底下较暖的水为大，因而沉入下面密度较小的水中，下面的 10℃的水上升，冷水的下沉引起一个混合过程，此密度流过程一直持续到所有水冷却到4℃为止。

但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温，表面水的温度进一步降低，又比如降到3℃，这部分水的体积不但不缩小反而膨胀，即表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉，水的对流和混合此时都停止了，当然扩散不会停止。表面下的水基本上靠热传导散失内能，水是热的不良导体，这样散热是比较慢的.表面水的温度，先于下面的水降至0℃开始结冰。冰的密度比水小，所以，冰会浮在水面上而不下沉，所以多称为浮冰。

（冰下鱼游动）

冰下面的水，从上到下温度为0到4℃，从上到下逐渐结冰，由于通过热传导而向上散热比较慢，并且有地热由底下向上传导，因此冻结的速度是缓慢的。若水很深，水是不会被冻透的，水中的生物就可以在靠近4℃左右的水中安然过冬而免遭冻死.。


四、4℃的水与“千克”(公斤)的关系

1799年12月，人们用一立方分米4℃水的质量，确立了“千克”(公斤)这一重量单位。之所以选择4℃，是因在水在这一温度时具有最大的密度。“千克”或“公斤”重量单位就是这么来的。

五、水的特殊变化：在4℃以上会热胀冷缩，而在4℃以下会冷胀热缩

对于一般的物体，热胀冷缩定律是成立的。当物体温度升高时，分子的动能增加，分子的平均自由程增加，所以表现为热胀；同理，当物体温降低时，分子的动能减小，分子的平均自由程减少，所以表现为冷缩。

一般来说，气体热胀冷缩最显著，液体其次，固体最不显著。因为气体分子之间的引力比液体和固体分子之间的引力小，受温度的影响就更容易一些。在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，水分子的排列比较“松散”，因此，雪、冰的密度比较小，就会浮在水面上。也就是说，大部分物质从液体变成固体的时候，它的体积会减小。

但是，当水结成冰的时候，它的体积反而会变大，密度会减小，而且水在4℃的时候密度最大。这个现象跟大家固有的常识是相反的，这个反常现象称为水的热缩冷胀。

以上可以说明：接近水表层温度变化比较大，而向水深处温度变化逐渐逐渐地减小。这是因为：在阳光照射之下，水表层温度升高比较快，而水的比热大、又是热的不良导体，所以水体中下层温度变化缓慢、微小。距离水面越远（水越深），温度变化越小，水底温度比较于水面温度要低。

六、水的密度与水体分层

根据"水在4℃密度最大"的这个特点，表明在一个整体的水体中，它的密度可能是不一致的，即密度差，因为表层水和底层水的温度在大多数情况下是有差异的，导致水体(水温)分层形成，最终发生水的对流，即密度流。如果水底层温度高于水表层温度，在这种情况下随着底层的高温水上行，容易引发底质沉渣泛起，较易发生缺氧翻塘，须慎之！应提前开动增氧机打破水的分层。

（图源：虾蟹六点半。作者：袁鸿沛）

水体(水温)分层的现象与水产养殖密切相关。在冬天，当温度低于4℃时，水面的温度比较低，再向下层水体时，水的温度逐渐增加，然后大多到4℃时就停止变化，所以，冬天的鱼儿多在水体下层活动，以抵御寒冷。正因为水温在4℃时密度最大，上层水的密度一般都小，密度大的沉在下面，因此，在夏天和冬天时将水体尽量加深，有益于水生动物避暑和防寒。另外，平时发生水的分层（水温分层）也对水产养殖不利，应人为打破分层，可以开动增氧机或利用水面风力来搅动、混合水体，使整个水体浑然一体。