L'acqua risponde come qualsiasi altro composto alle temperature variabili, ma si verifica un'anomalia in un intervallo ristretto attorno al punto di fusione, ed è un cambiamento che fa una grande differenza. Quando riscaldi il ghiaccio, le molecole acquisiscono energia cinetica e il ghiaccio si espande fino a quando non si scioglie. Ma una volta che tutto il ghiaccio è diventato acqua e la temperatura ricomincia a salire, l'espansione si ferma. Tra 32 e 40 gradi Fahrenheit (0 e 4 gradi Celsius), l'acqua sciolta si contrae effettivamente all'aumentare della temperatura. Oltre i 40 F (4 C), inizia di nuovo ad espandersi. Questo fenomeno rende il ghiaccio meno denso rispetto all'acqua che lo circonda, motivo per cui il ghiaccio galleggia.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

Il ghiaccio si espande a una velocità fissa , l'acqua liquida si espande ad un tasso di accelerazione con l'aumentare della temperatura e il vapore si espande nuovamente a una velocità fissa. Tra le temperature di 32 F (0 C) e 40 F (4 C), l'acqua liquida si contrae effettivamente con l'aumentare della temperatura.

Espansione di ghiaccio, acqua e vapore

Come solido, ghiaccio può solo espandersi linearmente, il che significa che la lunghezza e la larghezza di un cubetto di ghiaccio possono cambiare. Il coefficiente di espansione lineare per il ghiaccio, che misura la variazione frazionaria di lunghezza e larghezza per grado Kelvin, è una costante 50 x 10 ^{-6 ÷ K. Ciò significa che il ghiaccio si espande in una quantità uniforme con ciascun grado di calore aggiunto ad esso.}

Quando il ghiaccio diventa acqua liquida, non ha più dimensioni lineari fisse, ma ha volume. Gli scienziati usano un coefficiente termico diverso - il coefficiente di espansione del volume - per misurare la risposta dell'acqua liquida alla temperatura. Questo coefficiente, che misura le variazioni frazionali in volume per grado Kelvin, non è fisso. Aumenta con la temperatura di montaggio fino a quando l'acqua inizia a bollire. In altre parole, l'acqua liquida si espande ad un ritmo crescente all'aumentare della temperatura.

Quando l'acqua diventa vapore, si espande secondo la legge del gas ideale: PV = nRT. Se la pressione (P) e il numero di moli di vapore (n) si mantengono a una costante, il volume di vapore (V) aumenta linearmente con la temperatura (T). In questa equazione R è una costante chiamata costante di gas ideale.

L'anomalia cruciale

Al suo punto di fusione, l'acqua mostra una caratteristica condivisa da nessun altro composto. Invece di continuare a espandersi allo stato liquido, si contrae e la sua densità aumenta fino a raggiungere un massimo di 40 F (4 C). Dal punto di fusione a questo punto critico, il coefficiente di espansione è negativo, e nel punto di massima densità, il coefficiente di espansione è 0. Se la temperatura continua a salire, il coefficiente di espansione diventa nuovamente positivo.

Se inverti il ​​gradiente di temperatura e l'acqua fredda fino al punto di congelamento, inizia ad espandersi a 40 F (4 C) e continua ad espandersi finché non si congela. Questo è il motivo per cui le tubature dell'acqua scoppiano nel gelo e perché non si dovrebbe mai mettere una bottiglia di vetro piena d'acqua nel congelatore.