El agua responde como cualquier otro compuesto a los cambios de temperatura, pero ocurre una anomalía en un rango estrecho alrededor del punto de fusión, y es un cambio que marca una gran diferencia. Cuando calienta hielo, las moléculas ganan energía cinética y el hielo se expande hasta que se derrite. Pero una vez que todo el hielo se ha convertido en agua y la temperatura comienza a subir de nuevo, la expansión se detiene. Entre 32 y 40 grados Fahrenheit (0 y 4 grados Celsius), el agua derretida en realidad se contrae a medida que aumenta la temperatura. Más allá de los 40 F (4 C), comienza a expandirse nuevamente. Este fenómeno hace que el hielo sea menos denso que el agua que lo rodea, razón por la cual el hielo flota.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
El hielo se expande a un ritmo fijo, el agua líquida se expande a un ritmo acelerado al aumentar la temperatura y el vapor se expande nuevamente a un ritmo fijo. Entre las temperaturas de 32 F (0 C) a 40 F (4 C), el agua líquida en realidad se contrae al aumentar la temperatura.
Expansión de hielo, agua y vapor
Como sólido, el hielo solo puede expandirse linealmente, lo que significa que la longitud y el ancho de un cubo de hielo pueden cambiar. El coeficiente de expansión lineal del hielo, que mide el cambio fraccional de longitud y ancho por grado Kelvin, es una constante de 50 x 10.-6÷ K. Esto significa que el hielo se expande en una cantidad uniforme con cada grado de calor que le agregas.
Cuando el hielo se convierte en agua líquida, ya no tiene dimensiones lineales fijas, pero tiene volumen. Los científicos utilizan un coeficiente térmico diferente, el coeficiente de expansión de volumen, para medir la respuesta del agua líquida a la temperatura. Este coeficiente, que mide cambios fraccionales en volumen por grado Kelvin, no es fijo. Aumenta con la temperatura de montaje hasta que el agua comienza a hervir. En otras palabras, el agua líquida se expande a un ritmo creciente a medida que aumenta la temperatura.
Cuando el agua se convierte en vapor, se expande de acuerdo con la ley de los gases ideales: PV = nRT. Si la presión (P) y el número de moles de vapor (n) se mantienen constantes, el volumen de vapor (V) aumenta linealmente con la temperatura (T). En esta ecuación, R es una constante llamada constante de gas ideal.
La anomalía crucial
En su punto de fusión, el agua presenta una característica que no comparte ningún otro compuesto. En lugar de continuar expandiéndose en el estado líquido, se contrae y su densidad aumenta hasta que alcanza un máximo a 40 F (4 C). Desde el punto de fusión hasta este punto crítico, el coeficiente de expansión es negativo, y en el punto de máxima densidad, el coeficiente de expansión es 0. Si la temperatura sigue aumentando, el coeficiente de expansión vuelve a ser positivo.
Si invierte el gradiente de temperatura y enfría el agua hasta el punto de congelación, comienza a expandirse a 40 F (4 C) y continúa expandiéndose hasta que se congela. Esta es la razón por la que las tuberías de agua estallan en un clima helado y por qué nunca debe poner una botella de vidrio llena de agua en el congelador.