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(dá)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(tuán)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(tuán)，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(hù)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(dá)到一定的濕度時，它會進(jìn)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(yuǎn)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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