为什么无论水面的温度,水底依然保持4摄氏度?

题目

为什么无论水面的温度,水底依然保持4摄氏度?

答案

冰面的形成可以阻止冰面以下的水和空气进行热交换,而冰点这个温度本来就可以实现冰水混熔的状态,所以很正常.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.