「水喔！今天的文章是水喔！」

「又成功水了一篇，好水喔…」

水的三態：固態、液態、氣態（國中範圍，快速跳過）

水在 4℃（3.98℃）時密度達最高，熱脹冷脹

水加熱的完整過程

這張圖還藏有另一個含意，加熱時間代表水分子的「位能高低」

三相位能一定是：固態 < 液態 < 氣態

固體若要變成液體、氣體，需要克服分子間的作用力（冰融化、水要變蒸汽，都是靠外界加熱）

分子位能與分子間的距離有關係，通常距離稍遠一些位能會變大
因為能量越高，分子震動的越快、越大力，距離會比原本遠一些
ex: 今天天氣爆幹熱 => 今天分子震動得爆幹快

熱能越大，就能將分子間作用力（分子與分子的吸引力）拆的越遠
就越不穩定、越高位能

原理有一點點…一點點類似物理的「重力位能」公式 E=mgh
（但實際大不相同，不是單純mgh線性關係，而是1/r^6凡得瓦力 之類更複雜的力）

在此處還要考慮超能力（分子間作用力，如氫鍵）
以水為例子，水的密度最高最密緻、冰的密度較小鬆垮

可是按此邏輯
照理說水的位能應該最低，因為兩兩相隔是最緊密、最穩定的狀態
但實際上不是！
因為冰形成了大量氫鍵，抵掉了這位能的影響，所以才是最穩定的狀態

應該說，冰願意犧牲密度與空間效率，來換取整體位能更低的穩定氫鍵結構

冰有最完整、最強的氫鍵 → 勢能最低
液態水氫鍵動態斷裂、再結合 → 勢能居中
水蒸氣幾乎無氫鍵，只剩極弱的分子間作用 → 勢能最高

順帶一提

產生相變化之前必須先「成核（nucleation）」
（雲下雨也是，由人工增雨時，需要搭直升機撒灰塵、塵埃等）

有點像物理上要推動物體時，需先克服「靜摩擦力」
在生活經驗中，水在 0℃ 就結冰了
但實際上，在一個大氣壓 0℃ 以下，不一定 0℃ 就會結冰

低於 0℃ 可以以液態形式存在，但不穩定
稱作「過冷水（supercooled water）」

液體倒出來就結冰，很酷，像在變魔術
（柯南還有一集題材有出現過冷水xd

有「過冷水」，那當然也有「過熱水（superheated water）」
就是超過 100℃ 而不沸騰的，表面看似平靜但充滿危險
產生突然沸騰的「突沸」現象，積累的能量會在瞬間釋放出來

為了避免危險，做實驗加熱時可加入「沸石」（多孔性物質） ex: 陶瓷碎片，避免發生突沸

噢對了

即使水升溫到100度，冰的密度也一定比水還要小
因為結冰後，密度是有個巨大斷層的、跳崖式往下降（結構變化造成密度突變）

「水的最低密度」大約在0.96，而「冰的最高密度」大約在0.93
所以冰塊一定能漂浮在水上

結冰也是從上面開始結冰，因為結冰後會漂浮起來，會跑到上面
但多數物質（酒精、丙酮、水銀、金屬）固化時，則是從下方開始，因為變成固態、結晶後較重，會沉到底部

這也是冬天魚可以在冰面下存活的原因，因為最底下有4℃ 的水

如果有看到這種「非斷層式下跌」的圖，密度線是連續的
那麼低於0度其實是「過冷水」，而不是結冰