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    　　　　　８８　水冻结时为什么会膨胀？

    　　我们可以先问一问：固体为什么会是固体？液体为什么
    会是液体？
    　　一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力，这个吸引
    力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难
    把这些分子拉开，这种物质就是固体。
    　　然而分子含有动能，它们会在它们的固定位置附近振动。
    当温度上升时，这些分子获得越来越多的能量，振动得更加
    猛烈；最后，它们获得非常多的能量，以致别的分子的引力
    再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制，并且自行跑开，在
    其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了；它就变成了液体。
    　　大多数固体是结晶状的。那就是说，各分子不仅依然固
    定在它们的位置上，而且是固定在规则的位置上，排成行列。
    当分子获得足够的能量而跑开时，这种规则性就被打破，固
    体就熔化了。
    　　通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。
    各分子塞满在一起，它们中间几乎没有空隙。不过，一旦这
    个物质熔化了，彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。
    这种推憧的总效应就是迫使所有的分子分开得再远一点。这
    时物质就膨胀，它的密度就减小。于是，一般说来，液体的
    密度比固体低。
    　　换一个方式来说，固体熔化时就膨胀，而液体冻结时就
    收缩。
    　　不过，问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配
    置的。例如，在冰中，水分子排列成一种异常松的形式。水
    分子排成三维的图样，这种图样实际上留下了一些“空穴”。
    　　当温度上升时，分子打破了松散的排列，开始独立地运
    动，进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开，此
    外也把它们推到空穴中去。由于填满了空穴，液态水占有的
    空间比固态冰少，而不管分子如何拥挤。当１立方米的冰融
    化时，仅形成０．９立方米的水。
    　　由于冰的密度没有水大，所以它漂浮在水上。１立方米
    的冰会在水中下沉，直至０．９立方米的冰沉至水面以下为
    止。这个冰块排开的０．９立方米的液态水的重量跟１立方
    米冰的重量一样。现在冰被水浮起来了，剩下０．１立方米
    的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这样。任何一块冰将
    浮在水面上，它大约有十分之一在水面以上，十分之九在水
    面以下。
    　　一般来说，这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如
    此，所以水形成的冰停留在一片水体的顶部，它把较低的深
    层隔开，使得从下面逸出的热量有所减少。结果，较深的水
    通常不冻结，甚至在非常冷的天气条件下也不冻结。同样，
    漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响，并且很快融
    化。
    　　如果冰的密度大于水，那么，当它形成时，它就会沉到
    水底，结果就有更多的水会冻结。此外，处在水体底部的冰
    就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水，
    那么，我们地球上的水源就会几乎都是冻结的，即使地球离
    开太阳并不比现在更远。

    阿西莫夫《你知道吗？——现代科学中的一百个问题》
    科学普及出版社   1984年

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