生命获益于反常膨胀

我们知道，如果物体上的外部压力是恒定的，大多数物体的体积随着温度的升高而增加，即热膨胀和冷收缩。与大多数物质的性质相反，在0至4摄氏度的温度范围内，水的体积随着温度的升高而减小，也就是说，水随着0至4摄氏度之间的温度升高而膨胀和收缩。水的异常性质对河流和湖泊中动植物的生活有着重要的影响和意义。当寒冷的冬天到来时，随着温度的降低，河流和湖泊的水温也会降低。考虑一个湖。如果它的所有湖泊都处于一定的温度，例如10摄氏度，并且如果湖上的空气温度为-10摄氏度，那么湖面上的水将变冷，例如，温度下降到9摄氏度。这部分水由于冷却而收缩，其密度大于下面较暖的水，因此沉入下面较低密度的水中。低于10摄氏度的水上升。冷水的下沉导致混合过程持续到湖水冷却到4摄氏度。然而，地表水仍然被冷空气冷却，并且地表水的温度进一步降低，例如降低到3摄氏度。这种引水的量不是减少而是扩大，即地表水的密度低于下面的密度。因此，它漂浮在水面上，不再下沉。此时对流和混合停止(扩散当然不会停止)。地表下的水基本上通过热传导耗散内部能量。水是不良导体，所以散热相对较慢。地表水的温度在它下面的水开始结冰之前下降到0摄氏度。冰的密度比水低，所以它总是浮在水面上而不下沉。冰层下的水温从上到下为0摄氏度到4摄氏度。冰从上到下逐渐结冰。由于热量通过热传导向上消散，所以速度相对较慢，地热从底部向上传导，所以冻结速度较慢。如果湖里的水很深，湖水就不会完全结冰。生活在湖里的动物和植物可以在接近湖底4摄氏度的水中安全过冬，避免冻死的厄运。如果水的性质像大多数其他物质一样，在所有温度范围内，它随着热而膨胀，随着冷而收缩。然后，温度更高的水不断上升到水面，并向空气散热，湖水从底部开始结冰，因此很容易导致湖水结冰。这样，湖里所有经不起冰冻的生命都将被毁灭。