少年科學粉｜為什麼說「冰凍三尺，非一日之寒」？

撰文/王恆

本文節選自《知識就是力量》雜誌

生活里，我們常用「冰凍三尺，非一日之寒」比喻某一事態的形成，非一朝一夕之故，而是經過長期醞釀的結果。從表面上看，這句話的意思是水結成三尺厚的冰（泛指比較厚的冰），不是由於一天的寒冷所致。

那為什麼要選擇水結成一定厚度的冰，需要經過比較長的時日，來說明某一事態的形成需要長時間的醞釀過程呢？這一切還要從水變成冰的物理特性說起。

水在4°C密度最大

世界上絕大多數的物體都是熱脹冷縮的。溫度升高，體積膨脹；溫度降低，體積縮小。但是水的脾氣很怪，它在一定範圍內不受這個規律的約束。固態的冰和4℃以上的液態水，遵從一般規律，是熱脹冷縮的。而水在4～0℃時，就一反常態，不是熱脹冷縮了，而是冷脹熱縮了。所以水在4℃時，密度最大。

大多數液體凝固時體積都要縮小，也就是說物體的密度增大，這是物質由液態變成固態時的一般規律。但是水卻恰恰相反，當0℃的水變成0℃冰時，它的體積卻脹大了約1/10，所以冰能浮在水上面。

反常膨脹

物質密度由物質內分子間距決定。分子間距越大，物質密度越小；分子間距越小，物質密度越大。經研究發現，在水和冰的結構中，存在著一種非常特殊的化學鍵———氫鍵，這是一般晶體所沒有的。在冰中的每個H?O分子都通過氫鍵與周圍四個H?O分子結合在一起，邊緣的H?O分子同樣與其他H?O分子結合形成立體結構。這種多分子組成的立體結構是四面體結構，所佔空間較大，分子間不是密排而是鏤空結構。

在冰的結構中，H?O分子有著規則的排列，形成空曠的鏤空結構，原子間存在著較大的空隙。當0℃的冰晶繼續被加熱時，冰晶體中的部分原子的無規則熱振動動能足以破壞氫鍵，使部分氫鍵斷裂。原來的空曠結構逐漸瓦解成線度小的水分子集團，水分子集團間的距離明顯變小。

0℃的冰融化為0℃水時，近15%的氫鍵被破壞，H?O具有了流動性，固態轉化為液態，由於水分子集團間的雜亂排列，且集團間距離明顯減小，使得水的密度比冰要大，在0℃時，密度有一個突變而這時水中仍有大部分的氫鍵存在。

若繼續加熱0℃的水，隨著溫度的升高，靠氫鍵結合在一起的H?O分子集團進一步瓦解，氫鍵進一步斷裂，結合在一起的H?O分子團減小，開始出現單個水分子。這時，它們可以任意排列和運動，單個水分子還可以嵌在鏤空的分子結構之間。在水溫升高的過程中，一方面由於氫鍵的斷裂使水分子排列更緊密，密度增大；另一方面分子熱運動加快，使分子間平均距離增大，密度減小。水的密度受這兩方面因素的共同影響。

隨著水溫的不斷上升，分子間距增大的較為緩慢；而氫鍵斷裂使分子間距幾乎均勻地減小，使得在水溫從0℃升高到4℃的過程中，由氫鍵斷裂引起水密度增大的作用，比分子熱運動加快引起水密度減小的作用更大，所以在這個過程中水的密度隨著溫度的升高而增大，表現為反常膨脹。

水溫超過4℃時，隨著水溫的升高，氫鍵繼續斷裂，水中多分子集團越來越少；但分子熱振動幅度隨溫度升高不斷加大，使分子間的平均距離增大加快，因此由氫鍵斷裂引起的水密度增加的作用較受水分子熱振動引起的水密度減小的作用小，因此在水溫由4℃繼續升高的過程中，水的密度隨溫度的升高而減小，即呈現熱脹冷縮現象。

這樣，熱振動使分子間距擴大和斷裂氫鍵使集團間距縮小兩種相反的競爭機制，使得水在0～4℃之間有著反常膨脹的特性。4℃時，兩種相反的機制幾乎達到平衡，水分子間距最小，水的密度最大。水的溫度上升到4℃以上，熱振動佔據主導地位，水分子間的距離隨著溫度的升高而加大，水表現為熱脹冷縮，水又回到正常的熱膨脹特性。經過上面的討論可知，水的熱膨脹過程從微觀上看是由於兩種相反機制競爭的結果，主要是氫鍵的存在，導致了它的反常膨脹，也使水具有了吸熱量高、比熱容大、4℃的水密度最大這些特性。

冬天，氣候寒冷，水的表面直接與冷空氣接觸，很快就變冷了，溫度降到4℃的時候，體積最小，比重最大，就會沉到下面。下面溫度比較高的水比重小，就會浮上來。經過不斷的交換，使所有水的溫度都降到4℃。北風吹來，水的溫度繼續下降，表面的水冷到4℃以下，水就開始冷脹熱縮，比重反而比下面的水小。於是就形成3℃的水浮在4℃的水上面，2℃的水浮在3℃的水上面，1℃的水浮在2℃水上面，0℃的水在最上面。氣溫降到0℃以下，表面0℃的水就開始結冰。

水結了冰，冰層厚度會逐漸增加，但增加的速度是十分緩慢的。因為冰下面的水都已經降到4℃不會發生對流，而且冰是熱的不良導體，下層的水在冰的保護下，彷彿蓋了一床棉被，不易受寒而凍結成冰。如果水很深，冰可以結的相當厚，但這需要一定的時間。成語「冰凍三尺，非一日之寒」，就是對水結冰這一緩慢過程現象的高度概括。

水結冰這一過程告訴我們自然界的一些現象往往都有一個醞釀和積累的過程，不會一蹴而就，我們認識事物也要遵循這個規律。

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中學物理| 熱脹冷縮；分子的運動

文中所用圖片均來自：百度圖片

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