水的反常膨胀

一般物质由于温度影响，其体积为热胀冷缩。但也有少数热缩冷胀的物质，如水、锑、铋、液态铁等，在某种条件下恰好与上面的情况相反。实验证明，对0℃的水加热到4℃时，其体积不但不增大，反而缩小。当水的温度高于4℃时，它的体积才会随着温度的升高而膨胀。因此，水在4℃时的体积最小，密度最大。湖泊里水的表面，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上时，上层的水冷却，体积缩小，密度变大，于是下沉到底部，而下层的暖水就升到上层来。这样，上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置，整个的水温逐渐降低。这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止。当水温降到4℃以下时，上层的水反而膨胀，密度减小，于是冷水层停留在上面继续冷却，一直到温度下降到0℃时，上面的冷水层结成了冰为止。以上阶段热的交换主要形式是对流。当冰封水面之后，水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递。由于水的导热性能很差，因此湖底的水温仍保持在4℃左右。这种水的反常膨胀特性，保证了水中的动植物，能在寒冷季节内生存下来。还应注意到，冰在冷却时与一般物质相同，也是缩小的。受热则膨胀，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。

    很早以前，我国人民就已经懂得了冰冻膨胀的原理，并利用它来开采石头：冬天，他们在岩石缝里灌满水，让水结冰膨大，把巨大的山石撑得四分五裂，很快就能采到大量的石料。

    近年来，工业生产上出现了一种巧妙的新工艺——“冰冻成型”，也是冰冻膨胀原理的应用。办法是：根据零件的形状，用强度很大的金属，做一个凹形的阴模和一个凸形的阳模，把要加工的金属板放在两个模的中间，在阳模和密闭的外壳之间，灌满4℃左右的水，然后把这个装置冷却到0℃以下。这时，由于水结冰，体积膨胀，所产生的巨大力量把阳模压向阴模，便把金属板压成一定形状的部件了。

    豆腐本来是光滑细嫩的，冰冻以后，它的模样为什么会变得象泡沫塑料呢？豆腐的内部有无数的小孔，这些小孔大小不一，有的互相连通，有的闭合成一个个小“容器”，这些小孔里面都充满了水分。我们知道，由于0℃到4℃的水有热缩冷胀的特性，当孔中的水温度由4℃降到0℃，它的体积胀大了，比常温时水的体积要大10%左右。当豆腐的温度降到0℃以下时，里面的水分结成冰，原来的小孔便被冰撑大了，整块豆腐就被挤压成网络形状。等到冰熔化成水从豆腐里跑掉以后，就留下了数不清的孔洞，使豆腐变得象泡沫塑料一样。冻豆腐经过烹调，这些孔洞里都灌进了汤汁，吃起来不但富有弹性，而且味道也格外鲜美可口。

    冰冻也会给人们带来危害，它能使水缸冻破，把自来水管道冻裂……因此，在冬季来临的时候，要及时做好保暖防冻工作。

　　热缩冷胀的金属——锑

　　锑是一种银灰色的金属，它总共有四个“孩子”，人们见到次数最多是老大，名字叫“灰锑”。它还有三个小“弟弟”，依次是黄色的黄锑、黑色的黑锑和容易爆炸锑。

　　不过，这三个小弟弟的化学“性格”都不稳定。黄锑比较喜欢低温，温度一超过零下80℃，它就不能活下去，于是变成了黑锑。而黑锑只要一加热就会变成人们常见的灰锑。至于爆炸锑，更是不得了，只要你用一个硬东西碰一碰它，就会“火冒三丈”，同时放出大量的热，很快变成灰锑。

　　锑有一个反常的脾气——热缩冷胀。大家知道，一般的物体都是热胀冷缩，然而，液态的锑在冷却凝固时，体积反而更大了。

　　过去，人们利用锑的这个怪脾气，制成了铅字。在溶化了的铅字合金中加入一些液态的锑，然而把混合起来的熔液倒入铜模里冷却凝固，固态的铅字合金的体积就会增大一些，从而使每一个细小的笔划都十分清晰地凸现出来。不仅如此，加入锑后，还能使铅字合金更加坚硬、耐磨。