Water reageert zoals elke andere verbinding op veranderende temperaturen, maar er treedt een anomalie op in een smal bereik rond het smeltpunt, en het is een verandering die een groot verschil maakt. Wanneer je ijs verwarmt, krijgen de moleculen kinetische energie en zet het ijs uit totdat het smelt. Maar zodra al het ijs in water is veranderd en de temperatuur weer begint te stijgen, stopt de expansie. Tussen 32 en 40 graden Fahrenheit (0 en 4 graden Celsius) trekt het gesmolten water in feite samen als de temperatuur stijgt. Voorbij 40 F (4 C), begint het weer uit te breiden. Dit fenomeen maakt ijs minder dicht dan het water eromheen, wat de reden is waarom ijs drijft.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
IJs zet met een vaste snelheid uit, vloeibaar water zet met een toenemende temperatuur uit met een toenemende snelheid en stoom zet weer met een vaste snelheid uit. Tussen de temperaturen van 32 F (0 C) tot 40 F (4 C), trekt vloeibaar water feitelijk samen met toenemende temperatuur.
Uitbreiding van ijs, water en stoom
Als vaste stof kan ijs alleen lineair uitzetten, wat betekent dat de lengte en breedte van een ijsblokje kan veranderen. De lineaire uitzettingscoëfficiënt voor ijs, die de fractionele verandering van lengte en breedte per graad Kelvin meet, is een constante 50 x 10-6÷ K. Dit betekent dat ijs in een uniforme hoeveelheid uitzet met elke graad warmte die je eraan toevoegt.
Wanneer ijs vloeibaar water wordt, heeft het geen vaste lineaire afmetingen meer, maar heeft het volume. Wetenschappers gebruiken een andere thermische coëfficiënt - de volume-uitzettingscoëfficiënt - om de reactie van vloeibaar water op temperatuur te meten. Deze coëfficiënt, die fractionele veranderingen in volume per graad Kelvin meet, staat niet vast. Het neemt toe met de montagetemperatuur totdat het water begint te koken. Met andere woorden, vloeibaar water zet in toenemende mate uit naarmate de temperatuur stijgt.
Wanneer water in stoom verandert, zet het uit volgens de ideale gaswet: PV = nRT. Als de druk (P) en het aantal mol damp (n) constant blijven, neemt het stoomvolume (V) lineair toe met de temperatuur (T). In deze vergelijking is R een constante die de ideale gasconstante wordt genoemd.
De cruciale anomalie
Op het smeltpunt vertoont water een eigenschap die door geen enkele andere verbinding wordt gedeeld. In plaats van door te gaan met uitzetten in vloeibare toestand, trekt het samen en neemt de dichtheid toe totdat het een maximum bereikt bij 40 F (4 C). Vanaf het smeltpunt tot dit kritieke punt is de uitzettingscoëfficiënt negatief en op het punt van maximale dichtheid is de uitzettingscoëfficiënt 0. Als de temperatuur blijft stijgen, wordt de uitzettingscoëfficiënt weer positief.
Als je de temperatuurgradiënt omkeert en water afkoelt tot het vriespunt, begint het uit te zetten bij 40 F (4 C) en blijft het uitzetten totdat het bevriest. Dit is de reden waarom waterleidingen barsten bij vriesweer en waarom je een glazen fles vol water nooit in de vriezer moet zetten.
