生命获益于反常膨胀

我们知道,如果物体所受外界压力不变,大多数物体的体积都随温度的升高而增大,即热胀冷缩.与大多数物质的性质相反,在0到4摄氏度的温度范围内,水的体积却随温度的升高而减小,这就是说,水在0到4摄氏度之间是冷涨热缩.水的这一反常性质,对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义.

当寒冷的冬天来临后,随着气温的降低,江河湖泊中的水温也随之下降.考虑某一湖泊,设其全部湖水处于某一温度如10摄氏度,再设湖面上空气的温度为-10摄氏度,于是湖表面的水就会变冷,比如说温度降到9摄氏度,这部分水因变冷而收缩,其密度比底下较暖的水为大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的10摄氏度的水上升.冷水的下沉引起一个混合过程,此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4摄氏度为止.但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温,表面水的温度进一步降低,又比如降到3摄氏度,这部分水的体积不但不缩小反而膨胀,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉.对流和混合此时都停止了(当然扩散不会停止),表面下的水基本上靠热传导散失内能.水是热的不良导体,这样散热是比较慢的.表面水的温度,先于下面的水降至0摄氏度、开始结冰.冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水,从上到下温度为0摄氏度到4摄氏度,从上到下逐渐结冰.由于通过热传导而向上散热,比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的.若湖泊的水很深,湖水是不会被冻透的,湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4摄氏度的水中安然过冬,免遭冻死的厄运.

如果水的性质也像其它大多数物质那样,在全部温度范围内都是热胀冷缩的,那么温度较高的水不断升到水面,向空气散热,湖泊中水的冻结就会从底部开始,从而容易导致湖泊中的水全部冻结.这样一来,就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命.