水还会冷胀热缩？解开“冰冻三尺”的科学真相

“冰冻三尺，非一日之寒”说的是水结成三尺厚的冰（泛指比较厚的冰），不是由于一天的寒冷所致。这句成语比喻某一事态的形成，非一朝一夕之故，而是经过长期酝酿的结果。这还要从水变成冰的物理特性说起。

冷胀热缩的水

世界上绝大多数的物体都是热胀冷缩的。温度升高，体积膨胀；温度降低，体积缩小。但是水的脾气很怪，它在一定范围内不受这个规律的约束。固态的冰和4°C以上的液态水，遵从一般规律，是热胀冷缩的。而水在4～0°C时，就一反常态，不是热胀冷缩了，而是冷胀热缩了。所以水在4°C时，密度最大。

大多数液体凝固时体积都要缩小，也就是说物体的密度增大，这是物质由液态变成固态时的一般规律。但是水却恰恰相反，当0°C的水变成0°C冰时，它的体积却胀大了约1/10，所以冰能浮在水上面。

冰的“镂空”结构

物质密度由物质内分子间距决定。分子间距越大，物质密度越小；分子间距越小，物质密度越大。经研究发现，在水和冰的结构中，存在着一种非常特殊的化学键———氢键，这是一般晶体所没有的。在冰中的每个H₂O分子都通过氢键与周围四个H₂O分子结合在一起，边缘的H₂O分子同样与其他H₂O分子结合形成立体结构。这种多分子组成的立体结构是四面体结构，所占空间较大，分子间不是密排而是镂空结构。

冬天，气候寒冷，水的表面直接与冷空气接触，很快就变冷了，温度降到4°C的时候，体积最小，比重最大，就会沉到下面。下面温度比较高的水比重小，就会浮上来。经过不断的交换，使所有水的温度都降到4°C。北风吹来，水的温度继续下降，表面的水冷到4°C以下，水就开始冷胀热缩，比重反而比下面的水小。于是就形成3°C的水浮在4°C的水上面，2°C的水浮在3°C的水上面，1°C的水浮在2°C水上面，0°C的水在最上面。气温降到0°C以下，表面0°C的水就开始结冰。

水结了冰，冰层厚度会逐渐增加，但增加的速度是十分缓慢的。因为冰下面的水都已经降到4°C不会发生对流，而且冰是热的不良导体，下层的水在冰的保护下，仿佛盖了一床棉被，不易受寒而冻结成冰。如果水很深，冰可以结的相当厚，但这需要一定的时间。成语“冰冻三尺，非一日之寒”，就是对水结冰这一缓慢过程现象的高度概括。

冰冻三尺慢过程

水结冰这一过程告诉我们自然界的一些现象往往都有一个酝酿和积累的过程，不会一蹴而就，我们认识事务也要遵循这个规律。

“冰冻三尺，非一日之寒”只是水结冰时所表现的一个现象，但这个现象却有很大的作用，假如水很深，冰可以结得很厚，但水底的温度仍然保持4°C。因此，在朔风凛冽的严冬，水中生物仍然能生存下去。这也是大自然的巧妙安排，它有效地保护了寒冷地带的水中生物安全过冬。

但是，水冻成冰体积膨胀这个特性，有时也会带来灾难。当植物遭到冻害，常常是因为细胞液里的水分结冰膨胀，把细胞壁胀裂，造成植物死亡。

大自然的内在规律产生了五光十色的世界，我们认识世界及思维方式也需要与之相适应，我们必须透过现象去看到事物的本质，这样才能更好地认识大自然。成语“冰冻三尺，非一日之寒”正是来源于此。这样的语言真实地反映了自然的规律，也使得我们的语言更加深刻、更加精炼。

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