Voda reagira kao i bilo koji drugi spoj na promjenu temperature, ali anomalija se javlja u uskom rasponu oko točke topljenja, a to je promjena koja čini veliku razliku. Kada zagrijete led, molekule dobivaju kinetičku energiju, a led se širi dok se ne otopi. Ali kad se sav led pretvori u vodu i temperatura ponovno počne rasti, širenje prestaje. Između 32 i 40 stupnjeva Fahrenheita (0 i 4 stupnja Celzija), otopljena voda zapravo se skuplja kako temperatura raste. Iznad 40 F (4 C), ponovno se počinje širiti. Ova pojava čini led manje gustim od vode oko sebe, što je razlog zašto led pluta.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Led se širi fiksnom brzinom, tekuća voda širi se ubrzavanjem s porastom temperature, a para se opet širi fiksnom brzinom. Između temperatura od 32 F (0 C) do 40 F (4 C), tekuća voda zapravo se skuplja s povećanjem temperature.
Proširenje leda, vode i pare
Kao krutina, led se može širiti samo linearno, što znači da se duljina i širina kocke leda mogu mijenjati. Koeficijent linearnog širenja leda, kojim se mjeri frakcijska promjena duljine i širine po stupnju Kelvina, konstanta je 50 x 10
Kad led postane tekuća voda, više nema fiksne linearne dimenzije, ali ima volumen. Znanstvenici koriste drugačiji toplinski koeficijent - koeficijent volumenskog širenja - za mjerenje reakcije tekuće vode na temperaturu. Ovaj koeficijent, koji mjeri frakcijske promjene u volumenu po stupnju Kelvina, nije fiksan. Povećava se s povećanjem temperature dok voda ne počne ključati. Drugim riječima, tekuća voda raste sve brže kako temperatura raste.
Kad se voda pretvori u paru, ona se širi prema zakonu idealnog plina: PV = nRT. Ako se tlak (P) i broj molova pare (n) održavaju konstantnima, volumen pare (V) linearno raste s temperaturom (T). U ovoj je jednadžbi R konstanta koja se naziva konstanta idealnog plina.
Presudna anomalija
Na svom talištu, voda pokazuje karakteristike koje ne dijeli nijedan drugi spoj. Umjesto da se nastavi širiti u tekućem stanju, on se skuplja i njegova gustoća raste dok ne postigne maksimum na 40 F (4 C). Od točke taljenja do ove kritične točke, koeficijent širenja je negativan, a na mjestu maksimalne gustoće koeficijent širenja je 0. Ako temperatura nastavi rasti, koeficijent širenja ponovno postaje pozitivan.
Ako obrnete temperaturni gradijent i hladnu vodu do točke smrzavanja, ona se počinje širiti na 40 F (4 C) i nastavlja se širiti dok se ne smrzne. To je razlog zašto cijevi za vodu pucaju u vrijeme smrzavanja i zašto nikada ne biste trebali stavljati staklenu bocu punu vode u zamrzivač.