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“热胀冷缩”和“热缩冷胀”

作者:河北省兴隆县三道河中学 管余    来源:《青少年科学探究》2014.4    2014-6-10

小明寒假和妈妈一起去东北姥姥家,发现姥姥家的暖气水管被“冻”裂了,勤奋好学的小明马上问妈妈:“为什么水管冻坏了?”妈妈解释说:“这是因为温度降低时,水变成冰,密度变小,体积变大,所以水结成冰后就把水管撑裂了。”小明马上意识到一个问题:温度计是根据液体的热胀冷缩的性质制成的,温度计中装的是水银或煤油等物质,暖气水管中装的是水,水在温度降低时体积却会变大,这些物质有什么不同呢?

针对这个问题,小明又作出了以下猜想:物质的密度会随着温度的降低而减小还是随着温度的降低而增大呢?

带着这些疑问和猜想,小明制定了实验计划,并进行了如下对比实验。

将水、食用油、熔化的蜡烛、洗发精分别装满四个相同的小玻璃杯,放进冰箱的冷冻室内,待它们全部凝固后取出,观察体积的变化,结果发现:只有与玻璃杯口齐平的水结冰后中间表面向外鼓出来,其余液体结冰后中间表面却凹下去一个坑。

根据上述探究,小明知道了物质的密度是与温度有关系的,水这种物质的密度会随着温度的降低而逐渐减小,与此同时,它的体积反而在逐渐增大,即热缩冷胀;而除水以外的其他物质的密度会随着温度的逐渐降低而增大,同时它们的体积反而在逐渐减小,即热胀冷缩。

至此,小明并没有罢休。他还想探究一下如果将水的温度持续升高,水的密度会不会随着温度的升高而减小。于是他把水壶加满水,放在电磁炉上加热,他发现把水烧开时,水壶里的水溢出了一些。从而他又得到了水的密度随温度的升高而减小,同时体积增大的结论,即也是热胀冷缩的。那究竟水是热胀冷缩还是热缩冷胀呢?

为了搞清水这种脾气很古怪的物质密度与温度的关系,小明又上网通过查阅资料发现,除了水以外,一般的液体凝固后体积要变小,密度要变大,也就是我们通常所说的液体的热胀冷缩。而水这种古怪的物质,它不是热胀冷缩,而是热缩冷胀,也叫反常膨胀,温度4℃以下的水就具有这种非同寻常的特性。水在4℃时的密度最大,体积最小。温度逐渐下降时,它的体积反而在逐渐增大,结成0℃的冰时,它的体积不是缩小而是胀大,大约比原来要增大110。人们在冰湖中做的测试表明,表面冻结的湖里,冰面以下的水体中密度从上至下递增(这是当然的事了,重在下,轻在上),温度也是由上至下递增,从表层水体的0℃至底层水体的4℃(如右图所示)。正是因为这个特性,在北方寒冷的冬天里,河面结了厚厚的一层冰,但在冰层的下面,水温总保持在4℃左右。这为水中生物提供了良好的生存环境,使它们能够在严寒的冬天躲在底层水体中,不至于被冻成冰块。