趣谈水的几个物理特性

在我们居住的地球表面，地球的70%被液态水覆盖，这可以说是一个名副其实的水球。几乎所有的生命形式都主要由水组成。没有水，就没有生命，也就没有今天有趣的生活。水有许多众所周知的特性，如无色、无味，能溶解许多物质，在0℃冻结，在100℃汽化，能吸收大量热能，能形成晶莹的水滴等。尽管普通人对水有更多的了解，但仍有许多地方值得研究，甚至它熟悉的特征也是如此的聪明，以至于这个神秘的人类居住的星球有着极其丰富的生命和多彩的生活。首先，水溶性和味道水比任何其他液体能溶解更多的物质，这是由于其独特的分子结构，尤其是水分子的极性。我们都知道水的分子式是H2O。水的分子结构非常简单。两个氢原子和一个氧原子形成一个具有一定对称性的V形分子。这种结构使水分子在氧的一侧形成弱负电荷，在氢的另一侧形成弱正电荷，因此水分子容易彼此形成三维连接，并且由于电荷的吸引，也容易与其他物质的原子结合，因此水具有很强的溶解其他物质的能力。例如，当我们将盐(氯化钠)加入水中时，水分子的极性使其与盐分子形成弱键，使结晶盐颗粒均匀地分散在水中。正是这一特点让我们的生活如此美味，以至于我们每天都无意识地喝各种各样的水溶液，带着各种各样的欢乐和悲伤。水的强溶解性使动物体内的水溶液携带各种所需物质在体内循环，从而在生命代谢中发挥重要作用。2.水和地球上生命的密度在地球的环境条件下，水是唯一已知的三种状态共存的自然物质。水的不同状态对应于分子的不同排列形式，分子在固态时以高度有序的状态存在。在一定的压力下，大多数物质的密度会随着温度的降低而增加。然而，水是特殊的。当温度高于4℃时，水遵循这个规律，包括从气态水到液态的过程。然而，水的密度在低于4℃后开始下降，即水的密度在4℃时最高。水的固体密度高于液体密度，这在自然界几乎是独一无二的。在大多数地球会结冰的地方，当冬天到来时，水开始结冰，然后浮在水面上，从而将冰下的液态水与冰上的冷空气分开，从而防止或减缓了冰下液态水的凝固，也确保了以液态水作为水中生存条件的鱼类、水生植物等生命形式的生存。当第二年的春天到来时，上升的温度将融化漂浮在水面上的冰，水将回到其流动的液态。想象一下如果水没有这种特殊的物理属性会发生什么？当上面的水结冰后，它会下沉，倒出的水又变成冰，如此反复，最终一条河或整个湖变成巨大的冰疙瘩，水中的生命无法存活。如果是这样，很难说生命形式是否仍然如此丰富多彩。三、水的表面张力和植物对液态水的吸水性，其水分子由于极性会处于半有序状态，即水分子继续形成小集团的同时这种联系不断被打断，这是液态水流动性的根本原因。水分子之间的吸引力使水具有某种形状。例如，在重力场中，水滴是尖的椭圆形球体，顶部小，底部大，而不是散射的。也正是水分子之间的内聚力使得与空气接触的水表面形成与水内部不同的特征，即由于不同的内聚力，表面分子比内部水分子具有更高的势能，从而导致表面收缩，在表面层上形成一定的张力并承受一定的重量。例如，我们经常看到小昆虫站在水面上。如果我们用一定放大率的放大镜来观察它们，我们会看到昆虫站立的水面有点像薄膜一样凹进去。此外，水越纯净，表面张力越大。在实验中，可以看出一枚5美分的硬币不会沉在非常纯净的水面上。同样在水和容器之间的接触壁上，由于水分子之间以及水分子和容器的固体分子之间的分子力的共同作用，水将在一定位置沿着壁上升或下降，这就是水的毛细现象。对于植物的根脉来说，水是渗透的，也就是说，水在没有外部压力的情况下会自动沿着植物的毛细管或毛细管缝上升，其上升的高度与毛细管的宽度、水溶液本身所含的物质、地球的重力等因素有关。对于大多数小于1米的植物来说，它是通过水的毛细现象来吸收水分的重要手段。如果水在生活中没有这种特性，你桌子上的水就不能用布或纸吸干。四、利用铁对水的潜热来提高需要加热的水的温度，使1克水的温度上升1℃以热能定义为1卡。一克水从0℃升至100℃所需的热量是100卡路里，但将一克100℃的液态水转化为100卡路里的气体需要540卡路里。在此期间，水温没有上升，但水的物理形态发生了变化。可见的水蒸气含有大量的潜热。水蒸气一旦遇到冷物体，就会液化，这个过程会迅速释放潜热。人们利用水的这一特性的蒸汽熨斗可以利用热能把衣服熨成想要的形状。当然，烹饪时要小心，不要让蒸汽碰到你冰冷的手，否则蒸汽释放的潜热会灼伤你的皮肤。第五，水的蒸发和凉爽的感觉除了上面提到的加热液体水可以使它蒸发，事实上水可以在任何其他温度下小规模地蒸发，我们称这种现象为水的蒸发，如衣服是全年晒干，这是因为水的蒸发。为什么水分子能在任何温度下蒸发？因为从水分子的角度来看，并不是每一个分子在每一个时刻都有完全相同的能量，那些具有相当大能量的分子由于各种原因更容易脱离其他水分子的束缚而离开群体。从微观角度来看，少量的结合水分子已经变成可以*移动的水分子，从宏观角度来看，液态水已经蒸发。当然，在这个过程中，水吸收热量。在炎热的夏天，在你的胳膊上洒些水或者从你的身体上出汗。它感觉很凉爽，因为水在蒸发过程中带走了你身体表面的热量。此外，水还具有其他物质溶解力强和流动性好的特点，所以再洗一次澡会让你感觉干净凉爽。当然，有许多液体更容易蒸发，如酒精，但酒精比水贵，没有更方便和更便宜的散热剂为普通人。六、水的比热和地球温度的比热是指每增加1克物质所需的热量。除氨外，在所有固体和液体物质中，水的比热最大。总的来说，它能吸收大量的热量，而温度变化不大。这就是为什么夏天水边感觉凉爽，冬天水边感觉寒冷。在地球的海洋区域，由于水的调节，其温度在-2℃到35℃之间变化，因此一般的沿海地区在冬天不太冷，在夏天不太热，而在干燥的陆地区域，例如沙漠，其温度可以在-70℃到57℃之间变化，而在没有水的月球上，其温度可以在-155℃到135℃之间变化。当温度下降时，由于温度下降，水会释放大量热量，从而提高环境温度。当温度上升时，水会吸收大量的热量，减少环境温度的上升，这是水对地球温度的调节作用。也正是水的这种温度调节功能为相对脆弱的生命形式的存在提供了重要保证。可以看出，这种“弹性的春天”对于形成适合今天生活的特殊气候非常重要。