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知乎上有一位同學(xué)問我：
您能給我解釋下水為什么在4°C時(shí)密度最大嗎？
我的回答：
這其實(shí)是個(gè)非常困難的問題，現(xiàn)在都很難給出定量的回答。（這句話的意思是，為什么水在某個(gè)溫度下密度出現(xiàn)最大值是可以定性解釋的，但具體是哪個(gè)溫度，很難用定量的計(jì)算模擬算準(zhǔn)?？赡苡行┠M給出比4度高幾十度的數(shù)值，有些模擬給出比4度低幾十度的數(shù)值。比4度低幾十度不都結(jié)冰了嗎？是的，水的熔點(diǎn)也是很不容易算準(zhǔn)的，在許多模擬中在零下幾十度水還是液體呢。）
冰山
定性的回答大概是這樣：溫度越低，熵就需要越低，即結(jié)構(gòu)越有序，這是適用于所有物質(zhì)的普遍原理。絕大多數(shù)物質(zhì)的密度隨著溫度降低是單調(diào)升高的，因?yàn)榉肿又g靠得越近結(jié)構(gòu)越有序。
水的特別之處在于，由于氫鍵的方向性，最有序的結(jié)構(gòu)是像晶體冰那樣的結(jié)構(gòu)，每個(gè)水分子周圍有四個(gè)氫鍵，指向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。這是個(gè)很空曠的結(jié)構(gòu)，如果把它擾亂一些，水分子之間反而可以靠得近一點(diǎn)。這就是為什么冰的密度小于液態(tài)水的密度。冰能夠浮在水面上就是這個(gè)道理，這對(duì)地球上生命的出現(xiàn)具有重大的意義，在冬天保護(hù)了冰面下的生物。
當(dāng)液態(tài)水的溫度比較高時(shí)，溫度下降時(shí)結(jié)構(gòu)變得更有序，分子靠近，密度升高，這是跟其他物質(zhì)相似的常規(guī)行為。當(dāng)達(dá)到某個(gè)溫度時(shí)，再進(jìn)一步下降，結(jié)構(gòu)要變得更有序，就需要向冰結(jié)構(gòu)的方向靠近，分子之間開始遠(yuǎn)離，密度下降。這兩種相反的趨勢共同作用的結(jié)果，就是在某個(gè)溫度出現(xiàn)一個(gè)密度的最大值。
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