1799年12月，人們用一立方分米4℃水的質(zhì)量確立了“千克”這一重量單位。
之所以選擇4℃，是因在水在這一溫度時具有最大的密度。
這有悖于我們熟知的物質(zhì)“熱脹冷縮”的規(guī)律。
今天我們就來探究一下，為什么水會有這么“倔強(qiáng)”的特性……
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我們身邊的物體普遍都有熱脹冷縮的性質(zhì)。
在溫度降低時，構(gòu)成物質(zhì)的分子或原子會逐漸安定下來，彼此逐漸接近。
這樣物質(zhì)的體積就會變小，而密度會變大。
但并不是所有物質(zhì)都會嚴(yán)格遵守這個規(guī)律，比如水：
在0-4℃時，水的體積會隨著溫度降低而增大，也就是”熱縮冷脹“。
這是因?yàn)樗肿又g存在著有方向性的氫鍵。
當(dāng)水分子在低溫下逐漸安定時，一些水分子會通過氫鍵和其它四個水分子連接成類似冰的結(jié)構(gòu)，這時水分子間的平均距離反而比混亂時更遠(yuǎn)。
隨著溫度的降低，越來越多的水分子趨向于形成這種有秩序的結(jié)構(gòu)。
最終在某一個臨界溫度，這種趨勢取代了原本的“熱脹冷縮“，主導(dǎo)了水在整體上的體積變化。
而這個臨界溫度，大約就是4℃。
水的這個特性有一個很重要的意義：
在冬天的冰面以下，4℃的水密度大，會沉在下層，而溫度更低的水因?yàn)槊芏雀。瑫≡诟N近冰面的位置。
這阻礙了水的上下對流，導(dǎo)致冰面不能快速向下生長。
水中的生物也因此得以在冬天生存下來。
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