Ūdens kā jebkurš cits savienojums reaģē uz mainīgām temperatūrām, bet anomālija notiek šaurā diapazonā ap kušanas temperatūru, un tās ir lielas izmaiņas. Sildot ledu, molekulas iegūst kinētisko enerģiju, un ledus izplešas līdz izkūst. Bet, kad viss ledus ir pārvērties par ūdeni un temperatūra atkal sāk paaugstināties, izplešanās apstājas. Starp 32 un 40 grādiem pēc Fārenheita (0 un 4 grādi pēc Celsija) izkusušais ūdens temperatūras paaugstināšanās laikā faktiski saraujas. Pārsniedzot 40 F (4 C), tas atkal sāk paplašināties. Šī parādība padara ledu mazāk blīvu nekā ūdens ap to, tāpēc ledus peld.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Ledus izplešas ar fiksētu ātrumu, šķidrais ūdens palielinās ar ātrumu, pieaugot temperatūrai, un tvaiks atkal izplešas ar fiksētu ātrumu. Starp temperatūrām no 32 F (0 C) līdz 40 F (4 C) šķidrais ūdens faktiski saraujas, pieaugot temperatūrai.
Ledus, ūdens un tvaika paplašināšanās
Kā cieta viela ledus var izplesties tikai lineāri, kas nozīmē, ka ledus klucīša garums un platums var mainīties. Ledus lineārās izplešanās koeficients, kas mēra garuma un platuma daļējas izmaiņas uz Kelvina grādu, ir nemainīgs 50 x 10
-6÷ K. Tas nozīmē, ka ledus izplešas vienmērīgā daudzumā ar katru siltuma pakāpi, ko tam pievienojat.Kad ledus kļūst par šķidru ūdeni, tam vairs nav fiksētu lineāru izmēru, bet tam ir tilpums. Lai izmērītu šķidrā ūdens reakciju uz temperatūru, zinātnieki izmanto atšķirīgu termisko koeficientu - tilpuma izplešanās koeficientu. Šis koeficients, kas mēra frakcionētas tilpuma izmaiņas uz vienu Kelvina grādu, nav noteikts. Tas palielinās līdz ar uzstādīšanas temperatūru, līdz ūdens sāk vārīties. Citiem vārdiem sakot, šķidrais ūdens palielinās, pieaugot temperatūrai.
Kad ūdens pārvēršas tvaikā, tas izplešas saskaņā ar ideālo gāzes likumu: PV = nRT. Ja spiediens (P) un tvaika molu skaits (n) saglabājas nemainīgs, tvaika tilpums (V) lineāri palielinās līdz ar temperatūru (T). Šajā vienādojumā R ir konstante, ko sauc par ideālo gāzes konstanti.
Izšķirošā anomālija
Kušanas temperatūrā ūdenim piemīt tāda īpašība, kāda nav nevienam citam savienojumam. Tā vietā, lai turpinātu paplašināties šķidrā stāvoklī, tas saraujas, un tā blīvums palielinās, līdz tas sasniedz maksimumu pie 40 F (4 C). No kušanas punkta līdz šim kritiskajam punktam izplešanās koeficients ir negatīvs, un maksimālā blīvuma punktā izplešanās koeficients ir 0. Ja temperatūra turpina paaugstināties, izplešanās koeficients atkal kļūst pozitīvs.
Ja jūs maināt temperatūras gradientu un atdzesējat ūdeni līdz sasalšanas temperatūrai, tas sāk paplašināties pie 40 F (4 C) un turpina paplašināties, līdz tas sasalst. Tas ir iemesls, kāpēc ūdensvadi pārsprāga sasaluma laikā, un kāpēc nekad nevajadzētu saldētavā ievietot pilnu ūdens pudeli.