簡析：水在4℃時(shí)密度最大的原理與水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)系

一、水的反常膨脹現(xiàn)象：熱縮冷脹

水是最普通、最常見的物質(zhì)。所有有生命體征(包括人類)的動(dòng)、植物的生存都離不開水，水是生命之源。人們把水的凝固點(diǎn)作為記錄溫度的零點(diǎn)，并把水的沸點(diǎn)定為100℃，即把水的相變點(diǎn)作為自然所有物質(zhì)溫度的標(biāo)尺

一般來說，大多數(shù)物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)，溫度越高，物質(zhì)的密度越小。但水卻是一個(gè)例外，熱脹冷也脹，只有在4℃時(shí)候，體積最小。高于4℃或低于4℃時(shí)，體積都會膨脹。這種現(xiàn)象被稱為“反常膨脹現(xiàn)象”。

我們知道，物質(zhì)基本上都是熱脹冷縮的特性，受到加熱，粒子之間運(yùn)動(dòng)加快，粒子之間間隙加大，表現(xiàn)密度減小。而低溫下恰恰相反，粒子之間運(yùn)動(dòng)減小，表現(xiàn)間隙減小，反之密度加大。但這似乎不能解釋水的這種現(xiàn)象，為何低溫狀態(tài)下的冰密度會比水小，在這里如果仍用"熱脹冷縮"就說不通了。而且，根據(jù)現(xiàn)有研究表明，在液態(tài)水形態(tài)下，它的密度在超冷水狀態(tài)或者趨于零度時(shí)竟然不是最大，而是在4℃時(shí)密度最大，這也不適用于熱脹冷縮的說法。

二、現(xiàn)在來說說為何4℃時(shí)水的密度才是最大的？

通過觀測發(fā)現(xiàn)，在低于4℃條件下的水，即使沒有結(jié)冰，早就在水中形成肉眼不可見的冰晶體，這些冰晶體恰恰導(dǎo)致水的密度變大的原因。而溫度到達(dá)4℃時(shí)才能充分融化這些不可察覺的冰晶體，這個(gè)時(shí)候才能稱為完全液態(tài)水，密度自然最大。超過4℃，水分子的運(yùn)動(dòng)有加快趨勢，分子間隙也開始加大，密度也會逐漸加大。所以4℃時(shí)是水密度最大的時(shí)候。

三、水的三種形式：固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)

水的密度肯定也應(yīng)該是會變化的，如果不會變化，那水的三種形式即固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)就不存在。事實(shí)上氣態(tài)是水密度最小的時(shí)候，只有這樣才會上升天空，形成云。而固態(tài)是水密度第二小的形態(tài)，由形成的冰漂浮于水可以知道，冰的密度是絕對沒有液態(tài)狀的水大的。由此可以知道，液態(tài)水是水的三種形態(tài)下密度最大的存在

四、0℃時(shí)

0℃水結(jié)成冰時(shí)，全部分子締合在一起成為從而形成一個(gè)巨大的群體。在冰的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)氧原子與4個(gè)氫原子相連接而成四面體，每個(gè)氫原子與兩個(gè)氧原子相連結(jié)。即氧原子的四個(gè)鍵(兩個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)氫鍵)，指向一個(gè)四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)水分子都被四個(gè)水分子所包圍，如圖所示。

因此，冰是一種很不緊湊的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有相當(dāng)大的空。當(dāng)冰熔解時(shí)，一些氫鍵被破壞，四面體結(jié)構(gòu)被瓦解，水分子可以比較緊密地堆積在一起，因此，冰在熔解時(shí)體積要縮小。

五、冰是浮于水面之上的，為什么呢？

原來，當(dāng)水為固態(tài)(冰)時(shí)，分子間的相互作用力會使分子按一定的規(guī)則排列，分子之間會形成結(jié)晶四面體。這種排列方式可以看作類似支撐作用，會占據(jù)空間，比較松散，密度自然就沒有液態(tài)水大，漂浮于水面之上也在情理之中。

六、4℃時(shí)

在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發(fā)生改變的效應(yīng)：

一是由于溫度升高，液態(tài)水的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小。

另一種是由于溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。

在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低于4℃前，后一種效應(yīng)占優(yōu)勢；而水溫高于4℃后，前一種效應(yīng)占優(yōu)勢。根據(jù)推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大，所以水在4℃密度最大

七、在4℃時(shí)水的密度最大，而不是在0℃？

把一定質(zhì)量的水從0℃加熱到10℃，水的體積是先減小后增大的，4℃是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)體積最小，密度最大。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水的熱脹冷縮是反常的，水在低于4度時(shí)表現(xiàn)熱縮冷脹，導(dǎo)致密度下降。而在大于4度時(shí)，則恢復(fù)熱脹冷縮。這是水最重要也是最奇特的特性之一。保證了地球生命的延續(xù)。想想地球冰河時(shí)期，如果冰都是下沉，那暴露在低溫空氣中的水會一直結(jié)冰，到時(shí)整個(gè)海洋和地球就真的冰封了。

水的這種奇異特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘里的水結(jié)冰時(shí)，總是從水面開始的。也就是說首先是水面的水溫降到0℃，下面的水溫則高于0℃，從上向下溫度逐漸升高，水底溫度在4℃左右；密度則逐漸增大，水底密度最大。正因?yàn)樗倪@種奇異特性，才出現(xiàn)“人在冰上走，魚在冰下游”的自然景象。

湖泊里水的表面，當(dāng)冬季氣溫下降時(shí)，若水溫在4℃以上時(shí)，上層的水冷卻，體積縮小，密度變大，于是下沉到底部，而下層的暖水就升到上層來。

當(dāng)水溫到0℃結(jié)冰時(shí)，密度最小。水的這種特性也會給人們的日常生活造成一些損失，例如：水結(jié)冰時(shí)體積膨脹所產(chǎn)生的力量，足以把水管、水泥制件等撐破。平時(shí)一瓶礦泉水放在冰箱里，結(jié)成冰時(shí)體積會增大就是現(xiàn)成的例子。當(dāng)然，也能給人類帶來好處，特別是在保護(hù)魚類和其他水中生物方面。

八、冰封湖泊，鑿洞釣魚

正因?yàn)?strong>液態(tài)水在4℃時(shí)，密度最大。溫度高于4℃時(shí)，水的密度是隨著溫度的降低而增大，但是在0～4℃的溫度范圍內(nèi)，水的密度卻隨著溫度的降低而減小，直至冰點(diǎn)。正是這個(gè)特性使得4℃的水下沉，隆冬時(shí)節(jié)水體從表面至底部形成由低到高的溫度梯度，抑制了水的對流，才有冰封湖泊鑿洞釣魚的景象。這表明湖面表層結(jié)冰，但冰層之下卻是液態(tài)的水，而且湖泊的底部的水溫還能穩(wěn)定在4℃，致使魚類等水生生物得以生存，安度嚴(yán)寒。

九、4℃的水與“千克”(公斤)

1799年12月，人們用一立方分米4℃水的質(zhì)量確立了“千克”(公斤)這一重量單位。之所以選擇4℃，是因在水在這一溫度時(shí)具有最大的密度。

十、水的"熱縮冷脹"特性的重要意義

在冬天的冰面以下，4℃的水密度大，會沉在下層，而溫度更低的水因?yàn)槊芏雀。瑫≡诟N近冰面的位置。這阻礙了水的上下對流，導(dǎo)致冰面不能快速向下生長。水中的生物特別是魚類也因此得以在冬天生存下來。

十一、水的密度與水體分層

綜合本文上述"水在4℃密度最大"的特點(diǎn)，根據(jù)水的這個(gè)密度特性，表明在一個(gè)整體的水體中，它的密度可能是不一致的，即密度差，因?yàn)?strong>表層水和底層水的溫度在大多數(shù)情況下是有差異的，最終導(dǎo)致水體(水溫)分層。

水體(水溫)分層的現(xiàn)象與水產(chǎn)養(yǎng)殖密切相關(guān)。在冬天，當(dāng)溫度低于4℃時(shí)，水面的溫度比較低，再向下層水體時(shí)，水的溫度逐漸增加，然后到4℃，所以，冬天的魚兒多在水體下層活動(dòng)，以抵御寒冷。正因?yàn)樗疁卦?℃時(shí)密度最大，上層水的密度一般都很小，密度大的沉在下面，因此，在夏天避暑和冬天防寒時(shí)將水體盡量加深水位是有益的。

當(dāng)然，水產(chǎn)養(yǎng)殖上的"水體(水溫)分層"不是以4℃為界限，而是以上述"密度差"的原理來探尋水與魚類的相互關(guān)系。高溫季節(jié)的水溫分層猶為明顯，上、下層水溫的溫差較大，同時(shí)，水體中的溶氧水平在晝夜間變化也較大，晚上受暖濕氣流的影響，夜間水體上層水溫隨著氣溫的下降而逐漸下降，但密度同時(shí)也增大，從而產(chǎn)生密度流即上、下層水體對流，隨著時(shí)間的推移，就會拉大養(yǎng)殖水體上、下層水溫的差異，一旦達(dá)到了臨界點(diǎn)就會產(chǎn)生水溫分層，中、下層水體溶氧慢慢補(bǔ)充，而上層水溶氧則逐漸下降，一般到凌晨時(shí)會降到最低水平，加上因夜間基本上沒有自然補(bǔ)氧來源，底層水體溶氧則更加欠缺，因而凌晨或早上最易形成缺氧狀況。

因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖要盡量的打破水溫分層的形成，處理的辦法就是破壞水溫分層，采用一些機(jī)械設(shè)備，如增氧機(jī)、微孔暴氣等，當(dāng)然，遇有風(fēng)浪時(shí)水溫分層就會自然而然地消失了。因此，養(yǎng)魚戶應(yīng)該掌握水的密度特性和水溫分層的規(guī)律，從而確保漁業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行。