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热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

发表时间:2021/01/30 20:39:13  浏览次数:6930  
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热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

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

热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

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,外面气压大于内部,所以难打开;而微热罐头就很容易打开了。

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3.温度计,湿度计,都是测量的仪器,可以准确判断和测量温度。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。

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(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。

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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”。导致随温度下降体积反而增大,这中的动物植物的生有着重要的影响和意义.。

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(水在4℃以上“热胀冷缩”)

4℃以下会冷胀热缩而到密度更小,意味着冰会浮在水面另外,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,密度差,于是上层水会下沉,下层水会上升,形成水体对流密度流这种现象对水产养殖不利

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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时也层)。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,称为反常膨胀。

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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℃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

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

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多称为浮冰

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(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,水生物就可以在靠近4℃左右的水中安然过冬免遭冻死.。

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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

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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,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

热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

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!应增氧机打破水的分层。

热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

(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

(资料综合修编:刘文俊)

热胀冷缩与冷胀热缩:水有冷胀热缩规律,也有热胀冷缩规律

(备注:本文仅供参考和交流!内容和图片大多来源于网络资料,如有异见告之即改或删)

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