מים מגיבים כמו כל תרכובת אחרת לטמפרטורות משתנות, אך חריגה מתרחשת בטווח צר סביב נקודת ההיתוך, וזה שינוי שעושה הבדל גדול. כשמחממים קרח, המולקולות צוברות אנרגיה קינטית והקרח מתרחב עד שהוא נמס. אבל ברגע שכל הקרח הפך למים והטמפרטורה מתחילה לעלות שוב, ההרחבה נעצרת. בין 32 ל -40 מעלות פרנהייט (0 עד 4 מעלות צלזיוס), המים המומסים מתכווצים למעשה ככל שהטמפרטורה עולה. מעבר ל 40 F (4 C), הוא מתחיל להתרחב שוב. תופעה זו הופכת את הקרח לצפוף פחות מהמים סביבו, וזו הסיבה לכך שקרח צף.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
קרח מתרחב בקצב קבוע, מים נוזליים מתרחבים בקצב תאוצה עם עליית הטמפרטורה והקיטור שוב מתרחב בקצב קבוע. בין הטמפרטורות של 32 F (0 C) ל 40 F (4 C), מים נוזליים למעשה מתכווצים עם עליית הטמפרטורה.
הרחבת קרח, מים וקיטור
כמוצק, קרח יכול להתרחב באופן ליניארי בלבד, מה שאומר שאורכו ורוחבו של קוביית קרח יכולים להשתנות. מקדם ההתפשטות הליניארית לקרח, המודד את שינוי האורך והרוחב החלקי לכל קלווין, הוא קבוע 50 x 10-6÷ K. המשמעות היא שקרח מתרחב בכמות אחידה עם כל דרגת חום שתוסיפו לו.
כאשר קרח הופך למים נוזליים, אין לו עוד ממדים לינאריים קבועים, אלא יש לו נפח. מדענים משתמשים במקדם תרמי שונה - מקדם התפשטות הנפח - כדי למדוד את התגובה של מים נוזליים לטמפרטורה. מקדם זה, המודד שינויים חלקיים בנפח למדרגת קלווין, אינו קבוע. זה עולה עם טמפרטורת הרכבה עד שהמים מתחילים לרתיחה. במילים אחרות, מים נוזליים מתרחבים בקצב הולך וגובר ככל שהטמפרטורה עולה.
כאשר מים הופכים לאדים הם מתרחבים על פי חוק הגז האידיאלי: PV = nRT. אם הלחץ (P) ומספר שומות האדים (n) נשמרים על קבוע, נפח האדים (V) גדל באופן ליניארי עם הטמפרטורה (T). במשוואה זו R הוא קבוע הנקרא קבוע הגז האידיאלי.
האנומליה הקריטית
בנקודת ההיתוך שלהם, מים מציגים מאפיין המשותף לאף תרכובת אחרת. במקום להמשיך ולהתרחב במצב נוזלי, הוא מתכווץ, וצפיפותו עולה עד שהוא משיג מקסימום 40 F (4 C). מנקודת ההיתוך לנקודה קריטית זו, מקדם ההתרחבות הוא שלילי, ובנקודת הצפיפות המרבית מקדם ההתרחבות הוא 0. אם הטמפרטורה ממשיכה לעלות, מקדם ההתרחבות שוב הופך לחיובי.
אם תהפוך את שיפוע הטמפרטורה והמים הקרירים לנקודת הקפאה, הם מתחילים להתרחב ב 40 צלזיוס (4 צלזיוס) וממשיכים להתרחב עד שהם קופאים. זו הסיבה שצינורות מים מתפוצצים במזג אוויר מקפיא ומעולם אסור להכניס לבקבוק זכוכית מלא מים למקפיא.