为什么水冻成冰体积变大（为什么冰体积比水大）

一种物体是否能被压缩有一个非常简单的衡量方式，内部是否有间隙！比如一团蓬松的棉花，如果最小化收纳有两种方式：

1、将它装到袋子里，尽量装紧实，体积将会大大缩小

2、将它装到密封袋里，抽真空，可以最小化收纳

那么水能被压缩吗？中学物理告诉我们水是不能压缩的！水有间隙吗？似乎没有这种说法，我们继续讨论。

一、水分子之间有间隙吗？

棉花的花絮与花絮之间有间隙我们肉眼就能见到，但水中的间隙我们是看不见的，即使有所谓的空隙-气泡，那么也会快速的浮上水面，似乎看起来没有间隙，那么是这样吗？

1、空气被压缩的秘密

压缩空气大家司空见惯，它的用途很多，工业上它是气动工具的必备动力，民用上可以驱动木工的射钉枪，也可以作为潜水员的呼吸空间，这是因为空气分子的间隙很大，比标准温度下的氧气平均分子间距为3纳米，而一个氧分子的大小约为0.3纳米，理论上如果要到一个个挨着的程度的话，它可以被压缩1000倍，当然这很难！比如空气的密度是1.293千克／立方米，液态空气的密度是900千克／立方米，两者相差约696倍！

而分子之间的平均间距决定了常态下物质体积的大小！

2、水的固态液态和气态分子之间的间隙

水是一种比较有趣的物质，一般来说气态体积最大，液体次之，固体的体积最小，但对于水来说，大约在3.98℃时的时候体积是最小的！

这是因为水分子之间的氢键在起作用，结冰以后水分子会形成规则的六边形结构，但水分子中间的氢键，在结冰后距离并不会缩小，反而会变大，因此结冰后的体积会比水大10%左右！但水还有一种更怪异的状态，过冷水，如果水分子没有排列成规则结构，比如在特别纯净的水中，几乎无扰动时就会形成类似的条件，那么此时冰是不能形成的，但如果扰动足以打破这个水分子的无序状态，它将会立即结成冰！

打破这个平衡或者有凝结核，就会突然将水结成冰！08年雪灾时压垮电线的就是过冷雨落在电线上不断结冰导致了电线承载超过极限而断裂或者铁塔倒塌！

回到主题，作为物质，水分子间仍然存在间隙，比如水在100MPa的压力下，水的体积可以被压缩约4%，尽管水在一定比例上可以被压缩，但水仍然是一种优秀传递压力的液体，所以我们才有了万吨水压机！

二、原子内部的间隙

中学开始我们就了解原子内部的世界，从汤姆逊1904年提出的原子模型到卢瑟福用α粒子轰击金箔发现原子核以后，大家在发现，原来原子核内部居然如此空荡荡！

卢瑟福发现除了极少数α粒子被偏折甚至被弹回以外，绝大多数都穿过了原子，这表明原子内部大部分都是空的！

那么吃瓜群众就有疑问了，为什么原子内部除了几粒带负电荷的电子外就空无一物了，是什么力量在支撑这个空荡荡的空间却能保持宇宙中仅次于夸克简并力的支撑力！主要有如下两点：

1、泡利不相容原理中的两个费米子不能处于同一状态的电子简并力支撑

2、电子 质子质量<中子质量 ，根据质能方程，这多余的质量必定来自于能让两者中和的能量

因此电子需要强大的能量才能“坠入”原子核。不过也让我们知道了只要有足够的能量，原子的体积也能大幅缩小，最终变成中子星的物质，而压缩它们的能量就来自于自身的引力坍缩。但现实中我们无法制造出如此强大的压力，即使在地核也达不到！

三、原子核以下的世界

原子核内只有两种粒子，分别是质子和中子，质子是两个上夸克和一个下夸克组成，中子则是一个上夸克，两个下夸克，连接夸克的是胶子，由于夸克禁闭，我们很难打开质子和中子，只能观察受到撞击的强子状态来了解内部的世界！

上下夸克都是轻夸克，它的质量很轻，但中子与质子很重，这质量来自胶子的提供的结合能，因此可以了解，要对抗这种结合能需要更强大的能量！

但理论上这个结构也是可打破的，最终成为所谓的夸克物质，继续往下则将成为传说中的黑洞！