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知乎上有一位同學問我：
您能給我解釋下水為什么在4°C時密度最大嗎？
我的回答：
這其實是個非常困難的問題，現在都很難給出定量的回答。（這句話的意思是，為什么水在某個溫度下密度出現最大值是可以定性解釋的，但具體是哪個溫度，很難用定量的計算模擬算準。可能有些模擬給出比4度高幾十度的數值，有些模擬給出比4度低幾十度的數值。比4度低幾十度不都結冰了嗎？是的，水的熔點也是很不容易算準的，在許多模擬中在零下幾十度水還是液體呢。）
冰山
定性的回答大概是這樣：溫度越低，熵就需要越低，即結構越有序，這是適用于所有物質的普遍原理。絕大多數物質的密度隨著溫度降低是單調升高的，因為分子之間靠得越近結構越有序。
水的特別之處在于，由于氫鍵的方向性，最有序的結構是像晶體冰那樣的結構，每個水分子周圍有四個氫鍵，指向四面體的四個頂點。這是個很空曠的結構，如果把它擾亂一些，水分子之間反而可以靠得近一點。這就是為什么冰的密度小于液態水的密度。冰能夠浮在水面上就是這個道理，這對地球上生命的出現具有重大的意義，在冬天保護了冰面下的生物。
當液態水的溫度比較高時，溫度下降時結構變得更有序，分子靠近，密度升高，這是跟其他物質相似的常規行為。當達到某個溫度時，再進一步下降，結構要變得更有序，就需要向冰結構的方向靠近，分子之間開始遠離，密度下降。這兩種相反的趨勢共同作用的結果，就是在某個溫度出現一個密度的最大值。
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