3.生命獲益于冷脹熱縮

前面我們簡(jiǎn)單地介紹了熱脹冷縮，接下來(lái)我們要介紹冷脹熱縮。我們知道，如果物體所受外界壓力不變，大多數(shù)物體的體積都會(huì)隨著溫度的升高而增大，這就是我們所說(shuō)的熱脹冷縮。

而冷脹熱縮與大多數(shù)物質(zhì)的性質(zhì)相反，比如在0℃～4℃的溫度范圍內(nèi)，水的體積卻隨溫度的升高而減小。這就是說(shuō)，水在0℃～4℃之間是冷脹熱縮。水的這一反常性質(zhì)，對(duì)江河湖泊中的動(dòng)植物的生命有著重要的影響和意義。

冰浮在水面，生物仍可在冰下生存

當(dāng)寒冷的冬天降臨時(shí)，隨著氣溫的降低，江河湖泊中的水溫也會(huì)越來(lái)越低。我們不妨設(shè)想某一個(gè)湖泊，假使這個(gè)湖泊的全部湖水溫度處于10℃，再假設(shè)這個(gè)湖泊上面的空氣的溫度是零下10℃，這時(shí)候湖表面的水就會(huì)變冷，比如說(shuō)溫度降到9℃。這部分水因變冷而會(huì)收縮，這時(shí)候水的密度比底下較暖的水要大，因而沉入下面密度較小的水中，下面的10℃的水上升。冷水的下沉引起一個(gè)混合過(guò)程，此過(guò)程一直持續(xù)到湖泊中的所有水冷卻到4℃為止。但是表面的水還要被冷空氣繼續(xù)冷卻降溫，表面水的溫度還會(huì)進(jìn)一步降低，假如這時(shí)候水溫降到3℃，這部分水的體積不但不會(huì)縮小反而會(huì)膨脹。就是表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉。這時(shí)候?qū)α骱突旌隙纪Ｖ沽?當(dāng)然擴(kuò)散不會(huì)停止)，表面下的水基本上靠熱傳導(dǎo)散失內(nèi)能。

高海拔地區(qū)的冰川與河流

溫暖的濕地物種繁盛

一般來(lái)說(shuō)，水是熱的不良導(dǎo)體，因?yàn)槭菬岬牟涣紝?dǎo)體，所以散熱是比較慢的。表面水的溫度，要早于下面的水降至0℃，并較早開(kāi)始結(jié)冰。冰的密度比水小，所以一直浮在水面上而不下沉。冰下面的水，從上到下溫度為0℃~ 4℃，從上到下逐漸結(jié)冰。由于通過(guò)熱傳導(dǎo)而向上散熱比較慢，并且有地?zé)嵊傻紫孪蛏蟼鲗?dǎo)，因此凍結(jié)的速度是緩慢的。如果湖泊的水很深，湖水是不會(huì)被凍透的，湖泊中生存的動(dòng)植物就可以在靠近湖底的4℃的水中安然度過(guò)整個(gè)寒冷的冬季。這就是我們看到的在寒冬臘月的時(shí)候湖泊里的植物不會(huì)被凍死的原因。

假如水的性質(zhì)也像其他大多數(shù)物質(zhì)那樣，在全部溫度范圍內(nèi)都是熱脹冷縮的，那么溫度較高的水不斷升到水面，向空氣中散熱，湖泊中水的凍結(jié)就會(huì)從底部開(kāi)始，從而容易導(dǎo)致湖泊中的水全部?jī)鼋Y(jié)。這樣一來(lái)，就毀掉了湖泊中的一切經(jīng)不起凍結(jié)的生命。

知識(shí)小百科

小實(shí)驗(yàn)：水的反常膨脹

實(shí)驗(yàn)器材：100毫升燒瓶一只，溫度計(jì)一個(gè)，毛細(xì)玻璃管一根，與燒瓶配套的橡皮塞一個(gè)。

試驗(yàn)裝置：用打孔器之類的東西在橡皮塞上打兩個(gè)小孔，在小孔中插入溫度計(jì)和毛細(xì)玻璃管。再把橡皮塞塞緊在燒瓶上，燒瓶中要裝滿一些紅色色素的水。注意的是燒瓶中的空氣要盡量抽干凈，同時(shí)使水柱上升到毛細(xì)玻璃管中的適當(dāng)高度（大約8厘米）。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：這時(shí)把弄好的裝置放入冰箱中，等溫度降到0℃的時(shí)候取出來(lái)。想要更容易觀察的話，最好放在投影儀的玻璃板上。打開(kāi)投影儀的電源，這時(shí)屏幕上的像就會(huì)非常清晰了。這時(shí)很便于我們觀察溫度計(jì)讀數(shù)變化及毛細(xì)玻璃管中水柱的升降情況。

當(dāng)看到溫度計(jì)的讀數(shù)從0℃升高到4℃時(shí)，毛細(xì)玻璃管中水柱開(kāi)始迅速下降，然后下降的速度會(huì)逐漸變慢，到達(dá)4℃的時(shí)候水柱下降到最低點(diǎn)。

當(dāng)水溫到了4℃再繼續(xù)升溫的話，這時(shí)候請(qǐng)注意觀察毛細(xì)玻璃管中的水柱，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水柱是不斷上升的。

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)我們可以得出什么結(jié)論呢？水在0℃到4℃時(shí)是反常膨脹，熱縮冷脹，而在4℃以上就是熱脹冷縮了。

0℃～4℃時(shí)水的反常膨脹實(shí)驗(yàn)