生命获益于冷胀热缩

3.生命获益于冷胀热缩

前面我们简单地介绍了热胀冷缩，接下来我们要介绍冷胀热缩。我们知道，如果物体所受外界压力不变，大多数物体的体积都会随着温度的升高而增大，这就是我们所说的热胀冷缩。

而冷胀热缩与大多数物质的性质相反，比如在0℃～4℃的温度范围内，水的体积却随温度的升高而减小。这就是说，水在0℃～4℃之间是冷胀热缩。水的这一反常性质，对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义。

冰浮在水面，生物仍可在冰下生存

当寒冷的冬天降临时，随着气温的降低，江河湖泊中的水温也会越来越低。我们不妨设想某一个湖泊，假使这个湖泊的全部湖水温度处于10℃，再假设这个湖泊上面的空气的温度是零下10℃，这时候湖表面的水就会变冷，比如说温度降到9℃。这部分水因变冷而会收缩，这时候水的密度比底下较暖的水要大，因而沉入下面密度较小的水中，下面的10℃的水上升。冷水的下沉引起一个混合过程，此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4℃为止。但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温，表面水的温度还会进一步降低，假如这时候水温降到3℃，这部分水的体积不但不会缩小反而会膨胀。就是表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉。这时候对流和混合都停止了(当然扩散不会停止)，表面下的水基本上靠热传导散失内能。

高海拔地区的冰川与河流

温暖的湿地物种繁盛

一般来说，水是热的不良导体，因为是热的不良导体，所以散热是比较慢的。表面水的温度，要早于下面的水降至0℃，并较早开始结冰。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，从上到下温度为0℃~ 4℃，从上到下逐渐结冰。由于通过热传导而向上散热比较慢，并且有地热由底下向上传导，因此冻结的速度是缓慢的。如果湖泊的水很深，湖水是不会被冻透的，湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4℃的水中安然度过整个寒冷的冬季。这就是我们看到的在寒冬腊月的时候湖泊里的植物不会被冻死的原因。

假如水的性质也像其他大多数物质那样，在全部温度范围内都是热胀冷缩的，那么温度较高的水不断升到水面，向空气中散热，湖泊中水的冻结就会从底部开始，从而容易导致湖泊中的水全部冻结。这样一来，就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命。

知识小百科

小实验：水的反常膨胀

实验器材：100毫升烧瓶一只，温度计一个，毛细玻璃管一根，与烧瓶配套的橡皮塞一个。

试验装置：用打孔器之类的东西在橡皮塞上打两个小孔，在小孔中插入温度计和毛细玻璃管。再把橡皮塞塞紧在烧瓶上，烧瓶中要装满一些红色色素的水。注意的是烧瓶中的空气要尽量抽干净，同时使水柱上升到毛细玻璃管中的适当高度（大约8厘米）。

实验过程：这时把弄好的装置放入冰箱中，等温度降到0℃的时候取出来。想要更容易观察的话，最好放在投影仪的玻璃板上。打开投影仪的电源，这时屏幕上的像就会非常清晰了。这时很便于我们观察温度计读数变化及毛细玻璃管中水柱的升降情况。

当看到温度计的读数从0℃升高到4℃时，毛细玻璃管中水柱开始迅速下降，然后下降的速度会逐渐变慢，到达4℃的时候水柱下降到最低点。

当水温到了4℃再继续升温的话，这时候请注意观察毛细玻璃管中的水柱，你会发现水柱是不断上升的。

通过以上的实验我们可以得出什么结论呢？水在0℃到4℃时是反常膨胀，热缩冷胀，而在4℃以上就是热胀冷缩了。

0℃～4℃时水的反常膨胀实验