科学冷知识:为什幺铁达尼号会沉,冰山却不会?

2020-07-27    收藏428
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为什幺冰山与冰块会漂浮?固体难道不是通常会比液体重吗?  

对,通常是,但水是个例外。这个问题听起来可能很容易,答案的重要性却攸关生死。如果冰不会浮在水上,我们今天甚至可能不会在这里纳闷它不会浮的原因。   

让我们看看如果冰会沉到液态水底,那会发生什幺事。每当史前时代的天气冷到能冻结湖泊、河流或者池塘表面时,冰会立即沉到水底。当冰块上方有那幺多水隔热,随后的温暖天气可能根本不会熔化水底的冰。接着,下一次结冰将会在水底积存另一层冰,如此继续下去。   

要不了多久,除了赤道附近永不结冰的地带外,地球上大部分的水都会冻成固体并从水底堆积上来。即使是温暖的季节,也可能没有足够时间熔解到底层。而那些原本经过演化后形成我们的原始海洋生物,可能根本就没机会发展。这个世界将会相对地缺乏生命气息。   

固态的水(冰)浮在液态的水上面是我们如此熟悉的事,以至于我们没有意识到它其实是不寻常的现象。当大部分的液体冻结时,就相同体积而言,固体形态比液体形态更重、密度更大。那正是我们所预期的事,因为固体里的分子比自由流动的液体分子堆积得更紧密,所以固体自然比较重而且会下沉。你可以利用在平常温度就会凝固的液体—例如石蜡—来试看看。

水反其道而行的原因在于水分子在冰块里是以独特的相互连接方式存在。他们是藉着水分子之间的桥樑(氢键)来连接的。让我们想一想桥的作用。住在布鲁克林(位在纽约市长岛)的人或许会说布鲁克林大桥把布鲁克林连接到曼哈顿(位在纽约市曼哈顿岛),但是曼哈顿区的人或许会坚称这条桥分隔了布鲁克林与曼哈顿。就某一种意义而言,他们都是对的,氢键对于冰里面的水分子的作用也是这样—它们把分子结合在一起但是也保持它们相隔某个距离。   

所以水分子会形成类似开放的格子状结构,而不像是其他固体里的分子那幺紧密地挤在一起。分子在冰里的相隔距离比在液态水里更大,所以冰占据的空间更大。一定重量的水在冰的形式比在液体的形式多占据9%的空间。

如果结冰中的水因为受到限制而不能膨胀,那幺它在膨胀时就会试图撑破最坚固的容器。这也是为什幺水管与汽车引擎会被里面结冰的水撑破的原因。   

冰里面的桥樑不是在冻结的一瞬间突然形成的。当我们开始把水从室温冷却下来时,水的密度就像其他液体一般愈来愈大,因为分子运动变慢所以不需要那幺多活动空间。大部分的液体在冻结前会一直增加密度,于是固态的密度是最高的。但水可不是这样。   

水的密度只增加到某一点就停止。当水冷却到华氏39.16度或者摄氏3.98度之后,它开始反方向进行—随着水面冷却而减少密度。这是因为某些桥樑开始形成。最后,在华氏32度(摄氏0度)时,所有桥樑就定位,水凝结成冰而且密度降低到在所有温度下的最低值。这也是为什幺冰会浮在任何温度的水上的缘故。   

水在华氏39度具有最大密度的事实,对生物有进一步的重大影响。当寒冷天气冷却淡水湖泊的表面时,表面水的密度会增加并下沉。其他的水开始取代它的位子,继续被冷却且下沉。这会持续进行到湖里所有的水都被冷却到最大可能的密度—在华氏39度的密度—然后下沉。接着表面上的水才会继续冷却那最后的华氏7度,而在华氏32度时形成冰。   

当湖泊上能够形成表层冰的时候,湖里全部的水都处于华氏39度的温度。不论天气再冷,任何低于华氏39度的水都留在上面(因为它比较轻),于是底下的鱼不会冷到冻结。   

这也是水的特异行为—容许地球生命存在的另一个原因。

相关书摘 ►科学冷知识:超人的X光眼睛为什幺看不透铅?

书籍介绍

《蟋蟀先生,今天气温几度?:爱因斯坦也不知道的109个科学谜题》,脸谱出版
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作者:罗伯特.沃克
译者:高雄柏

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科学冷知识:为什幺铁达尼号会沉,冰山却不会?

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