Air merespons seperti senyawa lain terhadap perubahan suhu, tetapi anomali terjadi dalam kisaran sempit di sekitar titik leleh, dan itu adalah perubahan yang membuat perbedaan besar. Saat Anda memanaskan es, molekul mendapatkan energi kinetik, dan es mengembang hingga meleleh. Tapi begitu semua es berubah menjadi air dan suhu mulai naik lagi, pemuaian berhenti. Antara 32 dan 40 derajat Fahrenheit (0 dan 4 derajat Celcius), air yang meleleh sebenarnya berkontraksi saat suhu naik. Di luar 40 F (4 C), ia mulai mengembang lagi. Fenomena ini membuat es kurang padat daripada air di sekitarnya, yang menjadi alasan mengapa es mengapung.
TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)
Es memuai dengan laju tetap, air cair memuai dengan laju yang dipercepat dengan meningkatnya suhu dan uap kembali memuai dengan laju tetap. Antara suhu 32 F (0 C) hingga 40 F (4 C), air cair sebenarnya berkontraksi dengan meningkatnya suhu.
Ekspansi Es, Air, dan Uap
Sebagai benda padat, es hanya dapat memuai secara linier, yang berarti panjang dan lebar es batu dapat berubah. Koefisien ekspansi linier untuk es, yang mengukur perubahan fraksional panjang dan lebar per derajat Kelvin, adalah konstanta 50 x 10
-6K Ini berarti es mengembang dalam jumlah yang seragam dengan setiap derajat panas yang Anda tambahkan ke dalamnya.Ketika es menjadi air cair, ia tidak lagi memiliki dimensi linier tetap, tetapi memiliki volume. Para ilmuwan menggunakan koefisien termal yang berbeda - koefisien ekspansi volume - untuk mengukur respons air cair terhadap suhu. Koefisien ini, yang mengukur perubahan fraksional dalam volume per derajat Kelvin, tidak tetap. Ini meningkat dengan suhu pemasangan sampai air mulai mendidih. Dengan kata lain, air cair memuai dengan laju yang meningkat seiring dengan naiknya suhu.
Ketika air berubah menjadi uap, ia memuai menurut hukum gas ideal: PV = nRT. Jika tekanan (P) dan jumlah mol uap (n) dipertahankan pada konstan, volume uap (V) meningkat secara linier dengan suhu (T). Dalam persamaan ini R adalah konstanta yang disebut konstanta gas ideal.
Anomali Krusial
Pada titik lelehnya, air menunjukkan karakteristik yang tidak dimiliki oleh senyawa lain. Alih-alih terus mengembang dalam keadaan cair, ia berkontraksi, dan densitasnya meningkat hingga mencapai maksimum pada 40 F (4 C). Dari titik leleh ke titik kritis ini, koefisien muai adalah negatif, dan pada titik kepadatan maksimum, koefisien muai adalah 0. Jika suhu terus naik, koefisien muai kembali menjadi positif.
Jika Anda membalikkan gradien suhu dan air dingin ke titik beku, ia mulai mengembang pada 40 F (4 C) dan terus mengembang hingga membeku. Inilah alasan mengapa pipa air pecah dalam cuaca beku dan mengapa Anda tidak boleh memasukkan botol kaca penuh air ke dalam freezer.