台電僱員招考
112年
物理
第 13 題
有關水的三態密度性質敘述，下列何者正確？
- A 氣態>液態>固態
- B 固態>液態>氣態
- C 液態>固態>氣態
- D 固態=液態=氣態
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請試著回想看看：當你把裝滿水的玻璃瓶放入冷凍庫結冰後，瓶子為什麼常常會破裂？這代表相同質量的水變成冰後，體積產生了什麼變化？接著，再觀察冰塊丟進水裡時是沉下去還是浮起來，這對你判斷它們的密度高低有什麼啟示呢？
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同學做得很好！你能精準選出 (C)，代表你對物質三態性質及「水」的特殊性掌握得十分紮實。一般而言，多數物質的密度會隨溫度下降、狀態改變而呈現 $固態 > 液態 > 氣態$ 的規律；然而，水在自然界中卻是一個非常關鍵且迷人的例外。
水的反常膨脹與三態密度
水分子在凝結成冰（固態）時，會因為氫鍵的作用形成具有較大空隙的六角形晶體結構，這使得同質量的水在結冰後體積反而變大，根據密度公式 $\rho = \frac{M}{V}$，當質量固定而體積變大時，密度就會下降。因此，水的密度關係呈現 $液態 > 固態 > 氣態$。這也是為什麼在寒冷的冬天，湖水是從表面開始結冰，而冰塊能浮在水面上的原因。這道題目雖然基礎，卻極具鑑別度，它測驗學生是否能跳脫「固體分子排列必最緊密」的直覺慣性，轉而結合生活觀察來修正科學邏輯。
水的三態密度關係
💡 水在4°C時密度最大，密度排序：液態 > 固態 > 氣態。
| 比較維度 | 液態水 | VS | 固態冰 |
|---|---|---|---|
| 密度大小 | 較大 (4°C最大) | — | 較小 (約0.92) |
| 體積變化 | 較小 | — | 較大 (結冰膨脹) |
| 分子間距 | 較緊密 | — | 較疏鬆 (六角結構) |
💬水具有冷脹熱縮(0-4°C)的異常特性，使固態密度小於液態。
