Το νερό αποκρίνεται όπως κάθε άλλη ένωση στις μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες, αλλά μια ανωμαλία εμφανίζεται σε στενό εύρος γύρω από το σημείο τήξης και είναι μια αλλαγή που κάνει μεγάλη διαφορά. Όταν θερμαίνετε πάγο, τα μόρια κερδίζουν κινητική ενέργεια και ο πάγος διαστέλλεται μέχρι να λιώσει. Αλλά όταν όλοι οι πάγοι μετατραπούν σε νερό και η θερμοκρασία αρχίσει να αυξάνεται ξανά, η επέκταση σταματά. Μεταξύ 32 και 40 βαθμών Φαρενάιτ (0 και 4 βαθμών Κελσίου), το λιωμένο νερό συστέλλεται στην πραγματικότητα καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Πέρα από τα 40 F (4 C), αρχίζει να επεκτείνεται ξανά. Αυτό το φαινόμενο καθιστά τον πάγο λιγότερο πυκνό από το νερό γύρω του, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο πάγος επιπλέει.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Ο πάγος διογκώνεται με σταθερό ρυθμό, το υγρό νερό διογκώνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό με αυξανόμενη θερμοκρασία και ο ατμός εκτείνεται και πάλι με σταθερό ρυθμό. Μεταξύ των θερμοκρασιών 32 F (0 C) έως 40 F (4 C), το υγρό νερό συστέλλεται στην πραγματικότητα με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Επέκταση πάγου, νερού και ατμού
Ως στερεό, ο πάγος μπορεί να επεκταθεί μόνο γραμμικά, πράγμα που σημαίνει ότι το μήκος και το πλάτος ενός παγάκι μπορεί να αλλάξει. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής για πάγο, ο οποίος μετρά την κλασματική αλλαγή μήκους και πλάτους ανά βαθμό Kelvin, είναι σταθερή 50 x 10-6÷ Κ. Αυτό σημαίνει ότι ο πάγος διαστέλλεται σε ομοιόμορφη ποσότητα με κάθε βαθμό θερμότητας που προσθέτετε σε αυτόν.
Όταν ο πάγος γίνεται υγρό νερό, δεν έχει πλέον σταθερές γραμμικές διαστάσεις, αλλά έχει όγκο. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έναν διαφορετικό θερμικό συντελεστή - τον συντελεστή επέκτασης όγκου - για να μετρήσουν την απόκριση του υγρού νερού στη θερμοκρασία. Αυτός ο συντελεστής, ο οποίος μετρά τις κλασματικές αλλαγές στον όγκο ανά βαθμό Kelvin, δεν είναι σταθερός. Αυξάνεται με τη θερμοκρασία συναρμολόγησης έως ότου το νερό αρχίσει να βράζει. Με άλλα λόγια, το υγρό νερό διογκώνεται με αυξανόμενο ρυθμό καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει.
Όταν το νερό μετατρέπεται σε ατμό, διογκώνεται σύμφωνα με τον ιδανικό νόμο αερίου: PV = nRT. Εάν η πίεση (P) και ο αριθμός γραμμομορίων ατμών διατηρούνται σε σταθερά, ο όγκος ατμού (V) αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία (T). Σε αυτήν την εξίσωση το R είναι μια σταθερά που ονομάζεται ιδανική σταθερά αερίου.
Η κρίσιμη ανωμαλία
Στο σημείο τήξης του, το νερό δεν παρουσιάζει κανένα άλλο χαρακτηριστικό. Αντί να συνεχίσει να επεκτείνεται σε υγρή κατάσταση, συστέλλεται και η πυκνότητά του αυξάνεται μέχρι να φτάσει το μέγιστο στους 40 F (4 C). Από το σημείο τήξης σε αυτό το κρίσιμο σημείο, ο συντελεστής διαστολής είναι αρνητικός και στο σημείο της μέγιστης πυκνότητας ο συντελεστής διαστολής είναι 0. Εάν η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται, ο συντελεστής διαστολής γίνεται πάλι θετικός.
Εάν αντιστρέψετε την κλίση θερμοκρασίας και το κρύο νερό στο σημείο πήξης, αρχίζει να επεκτείνεται στους 40 F (4 C) και συνεχίζει να επεκτείνεται έως ότου παγώσει. Αυτός είναι ο λόγος που οι σωλήνες νερού εκρήγνυνται σε παγωμένο καιρό και γιατί δεν πρέπει ποτέ να τοποθετείτε ένα γυάλινο μπουκάλι γεμάτο νερό στην κατάψυξη.