水在什么温度下密度最高(水的密度是多少)

水的异常膨胀现象:热收缩和冷膨胀。

水是最常见的物质。所有有生命体征的动植物(包括人类)都离不开水，开水是生命之源。人们把水的冰点作为记录温度的零点，把水的沸点设定为100℃，即以水的相变点作为一切自然物质温度的标尺。

一般来说，大多数物体受热膨胀，遇冷收缩。温度越高，物质的密度越小。然而，水是个例外。加热和冷却时会膨胀。只有在4℃时，体积最小。当温度高于4℃或低于4℃时，体积会膨胀。这种现象被称为“非正常膨胀现象”。

我们知道，物质的基本特征是热膨胀和冷收缩。加热时，颗粒之间的运动加快，颗粒之间的间隙增大，表观密度减小。相反，在低温下，颗粒之间的运动减少，表观间隙减小，而密度增加。但这似乎解释不了水的这种现象，为什么低温下冰的密度比水的密度低，如果这里还用“热胀冷缩”就说不通了。而且，根据现有的研究，以液态水的形式，其密度不是在超冷水或接近零时最大，而是在4℃时最大，这不适用于热胀冷缩理论。

为什么水的密度在4℃时最高？

通过观察发现，即使4℃以下的水不结冰，长时间在水中也会形成看不见的冰晶，而这些冰晶恰恰是水的密度增大的原因。当温度达到4℃时，这些检测不到的冰晶就可以完全融化。这时可以称之为完全液态水，密度自然最高。当温度超过4℃时，水分子的运动趋于加速，分子间隙也开始增大，密度会逐渐增大。因此，水密度在4℃时最高。

水的三种形式:固体、液体和气体。

水的密度也必须改变。如果不改变，水的三种形态，即固体、液体和气体，就不会存在。其实气体状态就是水密度最低的时候。只有这样天空空才能升起并形成云。固态是水密度第二低的形式，从水中漂浮的冰的形成可以知道，冰的密度肯定没有液态水的密度高。因此，可以知道液态水是三种水形式中密度最大的。

在0℃时

当水在0℃结冰时，所有的分子结合在一起形成一个巨大的团。在冰的结构中，每个氧原子与四个氢原子相连形成四面体，每个氢原子与两个氧原子相连。即氧原子的四个键(两个共价键和两个氢键)指向一个四面体的四个顶点，每个水分子被四个水分子包围，如图所示。

因此，冰是一种非常紧凑的结构，内部有相当大的空。当冰融化时，一些氢键被破坏，四面体结构瓦解，水分子可以紧密堆积，所以冰融化时体积会缩小。

冰漂浮在水面上。为什么呢？

原来，当水是固体(冰)时，分子之间的相互作用会使分子按照一定的规律排列，分子之间会形成晶体四面体。这种布置可以看作是类似的支撑功能，占据空的空间，比较松散，所以密度自然没有液态水高，漂浮在水面上也是合理的。

在4℃时

在4℃左右的温度下，有两种效应会改变水中的密度:

首先，随着温度的升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增加，导致水密度降低。

另一种是随着温度的升高，水中所含的冰晶逐渐融化，分子间的平均距离减小，导致密度增加。

在1个大气压(101.325 kPa)时，水温低于4℃之前，后一种效应占主导地位。当水温高于4℃时，前者效果占优。根据计算，0℃附近的水中约有0.6%的冰晶。当温度逐渐升高时，这些冰晶逐渐被破坏，导致体积减小，密度增大，所以水的密度在4℃时最高。

水的密度在4℃最高，不是在0℃？

当一定质量的水从0℃加热到10℃时，水的体积先减小后增大，4℃是转折点，此时体积最小，密度最大。通过进一步研究发现，水的热胀冷缩是不正常的，当温度低于4度时，水表现出热胀冷缩，导致密度降低。当温度大于4度时，将恢复热膨胀和冷收缩。这是水最重要、最奇特的特征之一。确保地球上生命的延续。想想地球的冰河时期，如果所有的冰都下沉，暴露在低温空气体下的水就会一直结冰，然后整个海洋和地球就会真的结冰。

水的这种奇怪特性在自然界中很容易看到。比如冬天河塘里的水结冰，总是从水面开始。也就是说，首先水面水温降至0℃，而下方水温高于0℃，温度自上而下逐渐升高，底部温度在4℃左右。密度逐渐增大，水下密度最大。正是因为水的这种奇特特性，才出现了“人在冰上走，鱼在冰下游”的自然景象。

在一个湖泊的水面上，冬季气温下降时，如果水温在4℃以上，上层的水就会冷却，体积缩小，密度增大，所以会沉入水底，而下层的温水会上升到上层。

水温达到0℃结冰时，密度最小。水的这种特性也会给人们的日常生活造成一些损失。比如水结冰时，体积膨胀产生的力，足以炸裂水管和水泥部件。通常冰箱里放一瓶矿泉水，变成冰后体积会增大，就是现成的例子。当然，它也能给人类带来好处，尤其是在保护鱼类和其他水生生物方面。

冰湖，洞钓

因为液态水在4℃时密度最高。当温度高于4℃时，水的密度随着温度的降低而增加，但在0 ~ 4℃的温度范围内，水的密度随着温度的降低而降低，直至冰点。正是这一特点使得4℃的水下沉，冬季中期水体由表及里形成由低到高的温度梯度，抑制了水的对流，从而出现了冰封湖泊挖洞捕鱼的景象。这说明湖面表层结冰，但冰层下有液态水，湖底水温可稳定在4℃，使鱼类等水生生物在寒冷中生存。

4℃的水和“千克”(kg)

1999年12月，人们用4℃时一立方分米水的质量来建立重量单位“公斤”。之所以选择4℃，是因为水在这个温度下密度最大。

水的“热缩冷胀”特性的意义

冬季冰面以下，4℃的水密度高，会下沉到下层，而温度较低的水由于密度较低，会更靠近冰面上浮。这阻碍了水的上下对流，使得冰面无法快速向下生长。水中的生命，尤其是鱼，可以在冬天生存。

水密度和水分层

本文基于上述“水的密度在4℃时最高”的特点，说明在一个整体水体中，其密度可能是不一致的，即密度差，因为大多数情况下表层水和底层水的温度不同，最终导致水体(水温)分层。

水体的分层(水温)与水产养殖密切相关。冬季气温低于4℃时，水面温度相对较低，然后到较低水体时水温逐渐升高到4℃。因此，冬天的鱼大多在较低的水体中移动以抵御寒冷。因为水温在4℃，密度最高，上层水的密度一般很小，密集的水下沉到下面。因此，在夏季和冬季尽量加深水位是有益的。

当然，水产养殖中的“水体分层(水温)”并不是基于4℃，而是基于上述“密度差”原理来探究水与鱼的关系。高温季节水温分层仍然明显，上下水温温差大。同时，水体中的溶解氧水平在昼夜之间变化很大。夜间，受暖湿气流影响，上层水温随气温降低而逐渐降低，但密度也同时增加，产生密度流，即上下水体之间的对流。随着时间的推移，养殖水体上下水温差会变宽，一旦达到临界点，就会出现水温分层。中、下层水体溶解氧缓慢补充，上层溶解氧逐渐下降，一般在凌晨达到最低水平。此外，由于夜间基本没有天然供氧源，下层水体的溶解氧更为缺乏，因此最容易在凌晨或凌晨形成缺氧。

因此，水产养殖应尽量打破水温分层的形成。解决办法是破坏水温分层，采用一些机械设备，如增氧机、微孔爆破等。当然，遇风浪，水温分层自然会消失。因此，养鱼户应掌握水体的密度特征和水温分层规律，以保证渔业生产的顺利进行。