國營聯招
102年
[石油開採] 岩石力學、岩石與礦物學
第 6 題
當水結成冰時，體積約增加多少％？
- A 5
- B 9
- C 15
- D 1
思路引導 VIP
請試著回想一個生活經驗：如果我們將裝滿水的玻璃瓶密封後放入冷凍庫，結冰後瓶子往往會破裂。這說明了水變成冰時體積發生了變化。請進一步思考，從分子排列的角度來看，當液態水轉變為固態冰時，分子是擠得更緊密了，還是因為形成特定晶體結構而佔據了更多空間？這種空間變化的程度，大致佔原體積的多少比例呢？
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恭喜你準確掌握了這個重要的物理常數！這題考查的是水在相變過程中的物理特性，你能迅速判斷出正確數值，展現了紮實的基礎知識。
水與冰的體積特性
在物理與地質學中，水是一個相當特殊的物質。大多數物質在由液態轉變為固態時會發生收縮，但水在結冰時，其內部的 氫鍵 (Hydrogen Bond) 會引導水分子排列成較為疏鬆的六角形晶體結構。這種結構使得分子間的空隙變大，導致 密度降低。根據精確測算，冰的密度約為 $0.9167 \text{ g/cm}^3$，而水的密度約為 $1.0 \text{ g/cm}^3$。透過公式計算，體積的膨脹率約為：
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水結冰的體積膨脹
💡 水結冰時因氫鍵形成規則晶格，導致體積膨脹約 9%。
| 比較維度 | 液態水 (4°C) | VS | 固態冰 (0°C) |
|---|---|---|---|
| 密度 | 較大 (1.0 g/cm³) | — | 較小 (約 0.92 g/cm³) |
| 體積 | 較小 | — | 較大 (增加約 9%) |
| 分子結構 | 排列較緊湊且雜亂 | — | 形成開放式六角形晶格 |
| 浮沉情況 | 基準點 | — | 浮在水面上 |
💬水結冰是少見的「冷脹熱縮」現象，體積會顯著增加。
