水加熱的話會因為熱脹冷縮導致密度變小嗎,為什麼?

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自然界大部分物質都遵循熱脹冷縮現象,但也有少部分卻是熱縮冷漲。水在不同的溫度階段會表現出相反的性質,既會熱脹冷縮,又會熱縮冷漲,並不能籠統的歸結為隨溫度的升高密度變小。可以將其劃分為幾個階段 ①.固態水~液態水階段,水的密度會隨溫度的升高而變大。②.0~4℃階段,水密度隨溫度的升高而變大,4℃時的水密度最大。③.>4℃階段,水的密度隨溫度升高而變小。

1. 固態水—液態水階段

我們有個常識就是冰會漂浮在水的上面,這就說明固態的水的密度比液態水的密度小,當冰溫度升高化成水後其密度會增加。再如冬天放在杯子裡的水如果結冰會把杯子“凍裂”,其實也是同樣的道理,水變成冰密度變小體積就會膨脹,準確的說水杯子是被水脹裂。根據研究發現將冰熔化成水,會使締合水分子中的一些氫鍵斷裂,分子的間距變小、空隙減少,所以密度變大。

2. 0~4℃階段

水溫升高的過程中,水會有兩方面的因素影響密度。第一方面,締合水分子的水分子會逐步變成單個的水分子,分子可以自由移動,可以將之前水分子之間的間隙填滿水的密度也隨之加大。第二方面隨著溫度的升高,水分子的運動速度加快,使得分子的平均距離加大,密度減小。但是綜合兩種因素第一種因素要比第二種因素的作用大,所以水密度會隨著溫度的增加變大。

3. >4℃階段

該階段水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響,呈現出熱脹冷縮現象,既溫度升高密度變小。


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熱脹冷縮,就是溫度升高時膨脹,溫度降低時收縮,對於一定質量的物體,膨脹就是體積增大,收縮就是體積減小,所以,熱脹冷縮就意味著加熱密度減小冷卻密度增大,沒有例外。

在此,題主專門問到水,應該是考慮到水的反常膨脹,即0~4℃之間熱縮冷脹。這樣,水在0~4℃之間加熱密度增大,4℃以上加熱密度減小。所以,水在4℃時密度最大。最初規定規定4℃時1L純水的質量為1kg,所以,4℃時水的密度是1.0×10³kg/m³,是水的最大密度。

這種現象對水中生物的越冬有十分重要的意義,當氣溫降低時,湖面上水的溫度隨著降低,在4℃以上時,由於熱脹冷縮,湖面上水的密度增大,就要下沉,下部密度較小的水就要上升,於是形成對流,使上下水的溫度很快達到一致。當湖面上水的溫度低於4℃時,由於熱縮冷脹,水的密度減小,小於下部水的密度,上部的水不能下沉,下部的水也不能上升,對流不能發生,下部的水只能靠傳導和輻射向上傳熱,水是熱的不良導體,傳導熱很慢,熱輻射在水中進行的也比較微弱,致使湖水錶面結了冰,而湖底的水還能保持在4℃,為水中生物提供安全可靠的越冬環境。


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水升溫之後,水分子的大小雖然沒有改變,但是水分子與水分子之間的距離變大了,這個就導致相同數目的水分子,它們的總體積增大了(相當於做操人數沒有變,但是如果人與人之間的距離變大了,整個所佔位置就大了),體積增大了,但是水的質量沒有改變,密度等於水的質量除以體積,質量不變,體積增大,所以密度減小


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(1)水在0℃—4℃之間,密度(逐漸)增大;

(2)水在4℃時,密度最大;

(3)水在4℃以上,密度(逐漸)減小。


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