L'acqua risponde come qualsiasi altro composto alle variazioni di temperatura, ma si verifica un'anomalia in un intervallo ristretto intorno al punto di fusione, ed è un cambiamento che fa una grande differenza. Quando riscaldi il ghiaccio, le molecole acquisiscono energia cinetica e il ghiaccio si espande fino a sciogliersi. Ma una volta che tutto il ghiaccio si è trasformato in acqua e la temperatura riprende a salire, l'espansione si ferma. Tra 32 e 40 gradi Fahrenheit (0 e 4 gradi Celsius), l'acqua di fusione si contrae effettivamente all'aumentare della temperatura. Oltre 40 F (4 C), inizia ad espandersi di nuovo. Questo fenomeno rende il ghiaccio meno denso dell'acqua che lo circonda, motivo per cui il ghiaccio galleggia.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Il ghiaccio si espande a una velocità fissa, l'acqua liquida si espande a una velocità accelerata con l'aumentare della temperatura e il vapore si espande nuovamente a una velocità fissa. Tra le temperature da 32 F (0 C) a 40 F (4 C), l'acqua liquida si contrae effettivamente con l'aumento della temperatura.
Espansione di ghiaccio, acqua e vapore
Come solido, il ghiaccio può espandersi solo linearmente, il che significa che la lunghezza e la larghezza di un cubetto di ghiaccio possono cambiare. Il coefficiente di espansione lineare per il ghiaccio, che misura la variazione frazionaria di lunghezza e larghezza per grado Kelvin, è una costante 50 x 10-6÷ K. Ciò significa che il ghiaccio si espande in una quantità uniforme con ogni grado di calore che gli aggiungi.
Quando il ghiaccio diventa acqua liquida, non ha più dimensioni lineari fisse, ma ha volume. Gli scienziati utilizzano un coefficiente termico diverso, il coefficiente di espansione del volume, per misurare la risposta dell'acqua liquida alla temperatura. Questo coefficiente, che misura le variazioni frazionarie di volume per grado Kelvin, non è fisso. Aumenta con il montaggio della temperatura fino a quando l'acqua inizia a bollire. In altre parole, l'acqua liquida si espande a una velocità crescente all'aumentare della temperatura.
Quando l'acqua si trasforma in vapore, si espande secondo la legge dei gas ideali: PV = nRT. Se la pressione (P) e il numero di moli di vapore (n) si mantengono costanti, il volume di vapore (V) aumenta linearmente con la temperatura (T). In questa equazione R è una costante chiamata costante dei gas ideali.
L'anomalia cruciale
Al suo punto di fusione, l'acqua presenta una caratteristica condivisa da nessun altro composto. Invece di continuare ad espandersi allo stato liquido, si contrae e la sua densità aumenta fino a raggiungere un massimo a 40 F (4 C). Dal punto di fusione a questo punto critico, il coefficiente di espansione è negativo e nel punto di massima densità il coefficiente di espansione è 0. Se la temperatura continua ad aumentare, il coefficiente di espansione diventa nuovamente positivo.
Se inverti il gradiente di temperatura e raffredda l'acqua fino al punto di congelamento, inizia ad espandersi a 40 F (4 C) e continua ad espandersi fino a quando non si congela. Questo è il motivo per cui i tubi dell'acqua scoppiano durante il gelo e perché non dovresti mai mettere una bottiglia di vetro piena d'acqua nel congelatore.