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水在4℃时密度最大的原理与水产养殖的关系

出处:水花鱼 作者: 水产养殖网 2019-03-31 00:27:00

水的反常膨胀现象:热缩冷胀

水是最普通、最常见的物质。所有有生命体征(包括人类)的动、植物的生存都离不开水,水是生命之源。人们把水的凝固点作为记录温度的零点,并把水的沸点定为100℃,即把水的相变点作为自然所有物质温度的标尺。


一般来说,大多数物体都有热胀冷缩的性质,温度越高,物质的密度越小。但水却是一个例外,热胀冷也胀,只有在4℃时候,体积最小。高于4℃或低于4℃时,体积都会膨胀。这种现象被称为“反常膨胀现象”。

  我们知道,物质基本上都是热胀冷缩的特性,受到加热,粒子之间运动加快,粒子之间间隙加大,表现密度减小。而低温下恰恰相反,粒子之间运动减小,表现间隙减小,反之密度加大。但这似乎不能解释水的这种现象,为何低温状态下的冰密度会比水小,在这里如果仍用"热胀冷缩"就说不通了。而且,根据现有研究表明,在液态水形态下,它的密度在超冷水状态或者趋于零度时竟然不是最大,而是在4℃时密度最大,这也不适用于热胀冷缩的说法。
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       现在来说说为何4℃时水的密度才是最大的?

       通过观测发现,在低于4℃条件下的水,即使没有结冰,早就在水中形成肉眼不可见的冰晶体,这些冰晶体恰恰导致水的密度变大的原因。而温度到达4℃时才能充分融化这些不可察觉的冰晶体,这个时候才能称为完全液态水,密度自然最大。超过4℃,水分子的运动有加快趋势,分子间隙也开始加大,密度也会逐渐加大。所以4℃时是水密度最大的时候。
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水的三种形式:固态,液态,气态

水的密度肯定也应该是会变化的,如果不会变化,那水的三种形式即固态,液态,气态就不存在。事实上气态是水密度最小的时候,只有这样才会上升天空,形成云。而固态是水密度第二小的形态,由形成的冰漂浮于水可以知道,冰的密度是绝对没有液态状的水大的。由此可以知道,液态水是水的三种形态下密度最大的存在。

0℃水结成冰时,全部分子缔合在一起成为从而形成一个巨大的群体。在冰的结构中,每个氧原子与4个氢原子相连接而成四面体,每个氢原子与两个氧原子相连结。即氧原子的四个键(两个共价键,两个氢键),指向一个四面体的四个顶点,每个水分子都被四个水分子所包围,如图所示。
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因此,冰是一种很不紧凑的结构,内部具有相当大的空。当冰熔解时,一些氢键被破坏,四面体结构被瓦解,水分子可以比较紧密地堆积在一起,因此,冰在熔解时体积要缩小。

 冰是浮于水面之上的,为什么呢?

原来,当水为固态(冰)时,分子间的相互作用力会使分子按一定的规则排列,分子之间会形成结晶四面体。这种排列方式可以看做类似支撑作用,会占据空间,比较松散,密度自然就没有液态水大,漂浮于水面之上也在情理之中。
4℃时

在温度4℃上下,水中有两种使密度发生改变的效应:

一是由于温度升高,液态水的分子热运动加剧,分子间的平均距离增大,致使水的密度减小。
另一种是由于温度升高,水中所含有的冰晶体逐渐熔解,分子间的平均距离减小,致使密度增大。
在1大气压(101.325千帕)下,水温低于4℃前,后一种效应占优势;而水温高于4℃后,前一种效应占优势。根据推算,在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。当温度逐渐升高时,这些冰晶体逐渐被破坏,引起了体积的减小,致使密度增大,所以水在4℃密度最大。
在4℃时水的密度最大,而不是在0℃?

把一定质量的水从0℃加热到10℃,水的体积是先减小后增大的,4℃是转折点,此时体积最小,密度最大。通过进一步研究发现,水的热胀冷缩是反常的,水在低于4度时表现热缩冷胀,导致密度下降。而在大于4度时,则恢复热胀冷缩。这是水最重要也是最奇特的特性之一。保证了地球生命的延续。想想地球冰河时期,如果冰都是下沉,那暴露在低温空气中的水会一直结冰,到时整个海洋和地球就真的冰封了。

水的这种奇异特性很容易在自然界中看到,如冬天河塘里的水结冰时,总是从水面开始的。也就是说首先是水面的水温降到0℃,下面的水温则高于0℃,从上向下温度逐渐升高,水底温度在4℃左右;密度则逐渐增大,水底密度最大。正因为水的这种奇异特性,才出现“人在冰上走,鱼在冰下游”的自然景象。
      湖泊里水的表面,当冬季气温下降时,若水温在4℃以上时,上层的水冷却,体积缩小,密度变大,于是下沉到底部,而下层的暖水就升到上层来。

       当水温到0℃结冰时,密度最小。水的这种特性也会给人们的日常生活造成一些损失,例如:水结冰时体积膨胀所产生的力量,足以把水管、水泥制件等撑破。平时一瓶矿泉水放在冰箱里,结成冰时体积会增大就是现成的例子。当然,也能给人类带来好处,特别是在保护鱼类和其他水中生物方面。

冰封湖泊,凿洞钓鱼

      正因为液态水在4℃时,密度最大。温度高于4℃时,水的密度是随着温度的降低而增大,但是在0~4℃的温度范围内,水的密度却随着温度的降低而减小,直至冰点。正是这个特性使得4℃的水下沉,隆冬时节水体从表面至底部形成由低到高的温度梯度,抑制了水的对流,才有冰封湖泊凿洞钓鱼的景象。这表明湖面表层结冰,但冰层之下却是液态的水,而且湖泊的底部的水温还能稳定在4℃,致使鱼类等水生生物得以生存,安度严寒。
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4℃的水与“千克”(公斤)

     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。

       水的"热缩冷胀"特性的重要意义

       在冬天的冰面以下,4℃的水密度大,会沉在下层,而温度更低的水因为密度更小,会浮在更贴近冰面的位置。这阻碍了水的上下对流,导致冰面不能快速向下生长。水中的生物特别是鱼类也因此得以在冬天生存下来。

       水的密度与水体分层

        综合本文上述"水在4℃密度最大"的特点,根据水的这个密度特性,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,最终导致水体(水温)分层。

      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,然后到4℃,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很小,密度大的沉在下面,因此,在夏天避暑和冬天防寒时将水体尽量加深水位是有益的。

      当然,水产养殖上的"水体(水温)分层"不是以4℃为界限,而是以上述"密度差"的原理来探寻水与鱼类的相互关系。高温季节的水温分层犹为明显,上、下层水温的温差较大,同时,水体中的溶氧水平在昼夜间变化也较大,晚上受暖湿气流的影响,夜间水体上层水温随着气温的下降而逐渐下降,但密度同时也增大,从而产生密度流即上、下层水体对流,随着时间的推移,就会拉大养殖水体上、下层水温的差异,一旦达到了临界点就会产生水温分层,中、下层水体溶氧慢慢补充,而上层水溶氧则逐渐下降,一般到凌晨时会降到最低水平,加上因夜间基本上没有自然补氧来源,底层水体溶氧则更加欠缺,因而凌晨或早上最易形成缺氧状况。

       因此,水产养殖要尽量的打破水温分层的形成,处理的办法就是破坏水温分层,采用一些机械设备,如增氧机、微孔暴气等,当然,遇有风浪时水温分层就会自然而然地消失了。因此,养鱼户应该掌握水的密度特性和水温分层的规律,从而确保渔业生产顺利进行。 

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