冰冻三尺非一日之寒(心寒并非一日之寒下一句)

作者/王恒

本文摘自《知识就是力量》杂志。

在生活中，我们经常用“冰冻三尺，非一日之寒”来比喻某种情况的形成，不是一朝一夕的事，而是长期酝酿的结果。这句话表面上的意思是水形成三尺厚的冰(一般指厚冰)，不是天冷造成的。

那为什么选择水形成一定厚度的冰，需要很长的时间，说明某种情况的形成需要很长的酝酿过程呢？这一切都始于水变成冰的物理特性。

水在4摄氏度时密度最高。

世界上大多数物体热胀冷缩。温度升高，体积膨胀；降低温度，减少体积。但是水有一种奇怪的脾气，在一定范围内不受这个规律的约束。固体冰和4℃以上的液态水遵循一般规律，它们热胀冷缩。但水在4 ~ 0℃时，却一反常态。不是热胀冷缩，而是冷胀冷缩。因此，水的密度在4℃时最高。

当大多数液体凝固时，它们的体积会缩小，也就是说，物体的密度会增加。这是物质从液体变成固体的一般规律。但水恰恰相反。0℃的水在0℃变成冰时，体积膨胀约1/10，所以冰可以浮在水面上。

反常膨胀

物质的密度是由物质内部的分子间距决定的。分子间距越大，密度越小。分子间距越小，物质密度越大。发现水和冰的结构中存在一种非常特殊的化学键——氢键，这是普通晶体中所没有的。冰中的每个HO分子与周围的4个HO分子通过氢键键合，边缘的HO分子也与其他HO分子键合，形成三维结构。这种多分子的三维结构是四面体结构，占据空的大空间，分子不是紧密堆积而是雕琢空。

在冰的结构中，HO分子呈规则排列，形成空结构，原子间有较大的空间隙。当0℃的冰晶继续被加热时，冰晶中部分原子的随机热振动动能足以使氢键断裂，并使部分氢键断裂。原来的空开放结构逐渐解体成线性度较小的水分子团，水分子团之间的距离明显变小。

0℃的冰融化成0℃的水，近15%的氢键被破坏，HO具有流动性，固态转化为液态。由于水分子团的无序排列，以及团与团之间距离的明显减小，水的密度大于冰。在0℃时，密度发生突变，但大部分氢键仍存在于水中。

如果继续加热0℃的水，随着温度的升高，通过氢键结合在一起的HO分子团会进一步解体，氢键进一步断裂，结合的HO分子团减少，开始出现单个水分子。此时它们可以任意排列移动，单个水分子可以嵌在[/k0/]的分子结构之间。在水温升高的过程中，一方面由于氢键的断裂，水分子排列更加紧密，密度增大；另一方面，分子热运动加快，使分子间平均距离增大，密度降低。水的密度受这两个因素的影响。

随着水温的升高，分子间距缓慢增大；而氢键断裂使分子间距几乎均匀减小，使得水温从0℃上升到4℃过程中氢键断裂引起的水密度增大，比分子热运动加速引起的水密度减小更重要。所以在这个过程中水的密度随着温度的升高而增加，呈现异常膨胀。

当水温超过4℃时，随着水温的升高，氢键不断断裂，水中多分子基团越来越少。而分子热振动的振幅随着温度的升高而增大，加速了分子间平均距离的增大。所以氢键断裂引起的水密度增加的作用要小于水分子热振动引起的水密度降低的作用。因此，在水温从4℃开始升高的过程中，水的密度随着温度的升高而降低，即热胀冷缩。

从而存在两种相反的竞争机制，即热振动使分子间距变大，氢键断裂使团簇间距变小，使水在0 ~ 4℃之间异常膨胀。在4℃时，两种相反的机制几乎达到平衡，水分子之间的距离最小，水的密度最大。当水的温度升高到4℃以上时，热振动占主导地位，水分子之间的距离随着温度的升高而增大。水热胀冷缩，水恢复正常热膨胀特性。从上面的讨论可以看出，水的热膨胀过程是两种相反机制竞争的结果，主要是氢键的存在，导致了它的异常膨胀，也使水具有吸热高、比热容大、4℃时水密度最大的特点。

冬天气候寒冷，水面直接接触冷空气体，很快就变冷了。温度降到4℃时，体积最小，比重最大，所以会沉在下面。下面温度较高的水比重小，所以会浮上来。经过不断的交换，所有水的温度都降低到4℃。北风吹来，水温继续下降。当表面的水冷却到4℃以下时，水开始冷胀冷缩，但其比重小于下面的水。于是，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℃的水上面，0℃的水在上面。当温度降到0℃以下时，0℃表面的水开始结冰。

当水结冰时，冰层的厚度会逐渐增加，但增加的速度很慢。因为冰下的水已经降到4℃，不会有对流，冰是热的不良导体。在冰层的保护下，下层的水好像盖了一床被子，不容易冻成冰。如果水很深，冰会很厚，但这需要一些时间。习语的“罗马不是一天建成的”是对水结冰缓慢过程的高度概括。

水结冰的过程告诉我们，自然界的一些现象往往有一个酝酿和积累的过程，不可能一蹴而就。我们认识事物要遵循这个规律。

今日知识点

中学物理|热胀冷缩；分子运动

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