Wasser reagiert wie jede andere Verbindung auf wechselnde Temperaturen, aber eine Anomalie tritt in einem engen Bereich um den Schmelzpunkt herum auf, und diese Änderung macht einen großen Unterschied. Wenn Sie Eis erhitzen, gewinnen die Moleküle kinetische Energie und das Eis dehnt sich aus, bis es schmilzt. Aber sobald alles Eis zu Wasser geworden ist und die Temperatur wieder ansteigt, hört die Expansion auf. Zwischen 32 und 40 Grad Fahrenheit (0 und 4 Grad Celsius) zieht sich das geschmolzene Wasser bei steigender Temperatur tatsächlich zusammen. Jenseits von 40 F (4 C) beginnt es sich wieder auszudehnen. Dieses Phänomen macht Eis weniger dicht als das umgebende Wasser, weshalb Eis schwimmt.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Eis dehnt sich mit fester Geschwindigkeit aus, flüssiges Wasser dehnt sich mit steigender Temperatur beschleunigt aus und Dampf dehnt sich wieder mit fester Geschwindigkeit aus. Zwischen den Temperaturen von 32 F (0 C) bis 40 F (4 C) zieht sich flüssiges Wasser mit steigender Temperatur tatsächlich zusammen.
Ausbau von Eis, Wasser und Dampf
Als Festkörper kann sich Eis nur linear ausdehnen, was bedeutet, dass sich Länge und Breite eines Eiswürfels ändern können. Der lineare Ausdehnungskoeffizient für Eis, der die fraktionelle Änderung von Länge und Breite pro Grad Kelvin misst, beträgt konstant 50 x 10-6K. Das bedeutet, dass sich Eis mit jedem hinzugefügten Grad an Wärme gleichmäßig ausdehnt.
Wenn Eis zu flüssigem Wasser wird, hat es keine festen Längenmaße mehr, sondern ein Volumen. Wissenschaftler verwenden einen anderen thermischen Koeffizienten – den Volumenausdehnungskoeffizienten –, um die Reaktion von flüssigem Wasser auf die Temperatur zu messen. Dieser Koeffizient, der fraktionelle Volumenänderungen pro Grad Kelvin misst, ist nicht festgelegt. Sie steigt mit der Montagetemperatur an, bis das Wasser zu kochen beginnt. Mit anderen Worten, flüssiges Wasser dehnt sich bei steigender Temperatur mit zunehmender Geschwindigkeit aus.
Wenn Wasser zu Dampf wird, dehnt es sich nach dem idealen Gasgesetz aus: PV = nRT. Wenn Druck (P) und Molzahl Dampf (n) konstant bleiben, nimmt das Dampfvolumen (V) linear mit der Temperatur (T) zu. In dieser Gleichung ist R eine Konstante, die als ideale Gaskonstante bezeichnet wird.
Die entscheidende Anomalie
Wasser weist an seinem Schmelzpunkt eine Eigenschaft auf, die keine andere Verbindung teilt. Anstatt sich im flüssigen Zustand weiter auszudehnen, zieht es sich zusammen und seine Dichte nimmt zu, bis es bei 40 F (4 C) ein Maximum erreicht. Vom Schmelzpunkt bis zu diesem kritischen Punkt ist der Ausdehnungskoeffizient negativ und am Punkt maximaler Dichte beträgt der Ausdehnungskoeffizient 0. Steigt die Temperatur weiter an, wird der Ausdehnungskoeffizient wieder positiv.
Wenn Sie den Temperaturgradienten umkehren und das Wasser bis zum Gefrierpunkt abkühlen, beginnt es sich bei 40 F (4 ° C) auszudehnen und dehnt sich weiter aus, bis es gefriert. Dies ist der Grund, warum Wasserleitungen bei Frost platzen und Sie niemals eine Glasflasche mit Wasser in den Gefrierschrank stellen sollten.