我還是先解釋一下大多數材料熱脹冷縮的成因吧。以固體材料為例。首先大家應該確定一個意識，就是材料中的原子不是靜止不動的，它們每時每刻都在不停地振動。這是材料科學中非常重要的一個理論——晶格振動。通常人們說的熱脹冷縮，在材料科學裡面被稱為“熱膨脹”。從原子的觀點看，熱膨脹是點陣結構中的質點間平均距離隨溫度升高而增大現象的宏觀反映。質點的振動可分為簡諧振動和非簡諧振動，材料熱膨脹的物理本質是質點振動的非簡諧效應。所謂簡諧效應，就是質點圍繞其平衡位置作簡諧振動，質點之間相互作用勢能對平衡位置是對稱的，溫度升高只能增大振幅，並不改變平衡位置。質點間平均距離不會因溫度升高而改變，即不改變晶體的大小和形狀，這種情況下晶體受熱不膨脹。明白了簡諧效應，那非簡諧效應就簡單易懂了，即原子之間斥力項隨原子間距的變化比引力項的變化更快。在質點平衡位置r0的兩側，合力曲線的斜率是不相等的。當r < r0時，曲線的斜率較大；r > r0時，斜率較小。r < r0時斥力隨位移變化很快；r > r0時引力隨位移的變化要慢一些。在這樣的受力情況下，質點振動時的平均位置就不在r0處，而要向右移。因此相鄰質點間平均距離增加。溫度越高，振幅越大，質點在r0兩側受力不對稱情況越顯著，平衡位置向右移動越多，相鄰質點間平均距離就增加得越多，以致晶胞引數增大，晶體膨脹。好了，既然熱脹冷縮有了堅實的科學依據，那為什麼水還會反常呢？這時候就要抬出其他朋友在回答中都提到的東西了，即氫鍵，我就不贅述了。在0攝氏度時，氫鍵對體積的影響是主要影響，水的熱膨脹成了次要因素，注意是次要不是沒有。而在這兩種條件的共同影響下，才會出現4攝氏度的水密度最大這個事實。忍不住閒扯一句，然而正是因為水的這個特性，才會讓大自然如此美妙。比如冬天湖面結冰，然而下面的魚兒還能在水裡繼續生活……
我還是先解釋一下大多數材料熱脹冷縮的成因吧。以固體材料為例。首先大家應該確定一個意識，就是材料中的原子不是靜止不動的，它們每時每刻都在不停地振動。這是材料科學中非常重要的一個理論——晶格振動。通常人們說的熱脹冷縮，在材料科學裡面被稱為“熱膨脹”。從原子的觀點看，熱膨脹是點陣結構中的質點間平均距離隨溫度升高而增大現象的宏觀反映。質點的振動可分為簡諧振動和非簡諧振動，材料熱膨脹的物理本質是質點振動的非簡諧效應。所謂簡諧效應，就是質點圍繞其平衡位置作簡諧振動，質點之間相互作用勢能對平衡位置是對稱的，溫度升高只能增大振幅，並不改變平衡位置。質點間平均距離不會因溫度升高而改變，即不改變晶體的大小和形狀，這種情況下晶體受熱不膨脹。明白了簡諧效應，那非簡諧效應就簡單易懂了，即原子之間斥力項隨原子間距的變化比引力項的變化更快。在質點平衡位置r0的兩側，合力曲線的斜率是不相等的。當r < r0時，曲線的斜率較大；r > r0時，斜率較小。r < r0時斥力隨位移變化很快；r > r0時引力隨位移的變化要慢一些。在這樣的受力情況下，質點振動時的平均位置就不在r0處，而要向右移。因此相鄰質點間平均距離增加。溫度越高，振幅越大，質點在r0兩側受力不對稱情況越顯著，平衡位置向右移動越多，相鄰質點間平均距離就增加得越多，以致晶胞引數增大，晶體膨脹。好了，既然熱脹冷縮有了堅實的科學依據，那為什麼水還會反常呢？這時候就要抬出其他朋友在回答中都提到的東西了，即氫鍵，我就不贅述了。在0攝氏度時，氫鍵對體積的影響是主要影響，水的熱膨脹成了次要因素，注意是次要不是沒有。而在這兩種條件的共同影響下，才會出現4攝氏度的水密度最大這個事實。忍不住閒扯一句，然而正是因為水的這個特性，才會讓大自然如此美妙。比如冬天湖面結冰，然而下面的魚兒還能在水裡繼續生活……