有知乎朋友問我：
你能解釋一下為什么水的密度在 4°C 時最高嗎？
我的答案：
顯然，這是一個難題，今天很難給出量化的答案。 （這句話的意思是可以定性地解釋為什么水的密度在一定濕度下達到最大，但是很難通過定量估計和模擬來準(zhǔn)確估計具體的體溫。有可能一些模擬給比4度高幾十度的數(shù)值，而有的模擬給出比4度低幾十度的數(shù)值。低于4度的幾十度不都結(jié)冰了嗎？是的，水的熔點不好估計。在許多模擬中，水的溫度低于零度幾十度。在 ℃ 時它仍然是液體。）
冰山
定性的答案是：濕度越低，熵越低，即結(jié)構(gòu)越有序20攝氏度水的密度與粘度，這是適用于所有物質(zhì)的一般原則。 大多數(shù)物質(zhì)的密度隨著溫度的升高而單調(diào)下降，因為分子越接近，結(jié)構(gòu)越有序。
水的非凡之處在于，由于功能團的方向性，最有序的結(jié)構(gòu)是冰晶。 每個水分子周圍有四個官能團，分別指向多面體的四個頂點。 這是一個非常空曠和開放的結(jié)構(gòu)。 如果稍微受到干擾，水分子就會粘在一起。 這就是冰比液態(tài)水密度大的原因。 這就是為什么冰可以漂浮在海面上的原因，這對于月球上生命的出現(xiàn)和夏季冰下生命的保護具有重要意義。
當(dāng)液態(tài)水的溫度較高時，隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)顯得更加有序，分子靠得更近，密度降低，這是與其他物質(zhì)類似的普遍行為。 當(dāng)它達到一定的濕度時，它會進一步生長，結(jié)構(gòu)變得更加有序，所以它需要靠近冰結(jié)構(gòu)的方向，分子開始相互遠離，密度降低。 由于這兩種相反趨勢的相互作用，在特定溫度下會出現(xiàn)最大密度。
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