L'acqua risponde come qualsiasi altro composto al variare delle temperature, 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 si è trasformato in acqua e la temperatura ricomincia a salire, l'espansione si interrompe. Tra 32 e 40 gradi Fahrenheit (0 e 4 gradi Celsius), l'acqua sciolta si contrae in realtà all'aumentare della temperatura. Oltre 40 F (4 C), inizia a espandersi di nuovo. Questo fenomeno rende il ghiaccio meno denso dell'acqua che lo circonda, motivo per cui il ghiaccio galleggia.

TL; DR (troppo lungo; non letto)

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

Come solido, il 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 ogni 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 diverso coefficiente termico - il coefficiente di espansione del volume - per misurare la risposta dell'acqua liquida alla temperatura. Questo coefficiente, che misura le variazioni frazionarie del 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 a un ritmo crescente man mano che la temperatura aumenta.

Quando l'acqua si trasforma in vapore, si espande secondo la legge del gas ideale: PV \u003d nRT. Se la pressione (P) e il numero di moli di vapore (n) si mantengono costanti, il volume di vapore (V) aumenta linearmente con la temperatura (T). In questa equazione R è una costante chiamata costante di gas ideale.
Anomalia cruciale

Al suo punto di fusione, l'acqua presenta una caratteristica condivisa da nessun altro composto. Invece di continuare ad espandersi allo stato liquido, si contrae e la sua densità aumenta fino a raggiungere un massimo a 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 di nuovo positivo.

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