Woda reaguje jak każdy inny związek na zmieniające się temperatury, ale anomalia występuje w wąskim zakresie wokół temperatury topnienia i jest to zmiana, która robi dużą różnicę. Kiedy podgrzewasz lód, cząsteczki zyskują energię kinetyczną, a lód rozszerza się, aż się stopi. Ale kiedy cały lód zamieni się w wodę i temperatura znów zacznie rosnąć, ekspansja ustaje. Od 32 do 40 stopni Fahrenheita (0 do 4 stopni Celsjusza) stopiona woda faktycznie kurczy się wraz ze wzrostem temperatury. Powyżej 40 F (4 C) zaczyna się ponownie rozszerzać. Zjawisko to sprawia, że lód jest mniej gęsty niż otaczająca go woda, co jest przyczyną unoszenia się lodu.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Lód rozszerza się ze stałą szybkością, ciekła woda rozszerza się ze wzrastającą szybkością wraz ze wzrostem temperatury, a para ponownie rozszerza się ze stałą szybkością. Między temperaturami od 32 F (0 C) do 40 F (4 C) woda w stanie ciekłym faktycznie kurczy się wraz ze wzrostem temperatury.
Ekspansja lodu, wody i pary
Jako ciało stałe lód może rozszerzać się tylko liniowo, co oznacza, że długość i szerokość kostek lodu może się zmieniać. Współczynnik rozszerzalności liniowej lodu, który mierzy ułamkową zmianę długości i szerokości na stopień Kelvina, jest stałą 50 x 10-6÷ K. Oznacza to, że lód rozszerza się w jednakowej ilości przy każdym dodanym do niego stopniu ciepła.
Kiedy lód staje się ciekłą wodą, nie ma już stałych wymiarów liniowych, ale ma objętość. Naukowcy używają innego współczynnika termicznego — współczynnika rozszerzalności objętości — do pomiaru reakcji wody w stanie ciekłym na temperaturę. Ten współczynnik, który mierzy ułamkowe zmiany objętości na stopień Kelvina, nie jest stały. Zwiększa się wraz z temperaturą montażu, aż woda zacznie wrzeć. Innymi słowy, woda w stanie ciekłym rozszerza się ze wzrostem temperatury wraz ze wzrostem temperatury.
Kiedy woda zamienia się w parę, rozszerza się zgodnie z prawem gazu doskonałego: PV = nRT. Jeżeli ciśnienie (P) i liczba moli pary (n) utrzymują się na stałym poziomie, objętość pary (V) rośnie liniowo wraz z temperaturą (T). W tym równaniu R jest stałą zwaną idealną stałą gazu.
Kluczowa anomalia
W swojej temperaturze topnienia woda wykazuje cechy charakterystyczne dla żadnego innego związku. Zamiast dalej rozszerzać się w stanie ciekłym, kurczy się, a jego gęstość rośnie, aż osiągnie maksimum przy 40 F (4 C). Od temperatury topnienia do tego punktu krytycznego współczynnik rozszerzalności jest ujemny, a w punkcie maksymalnej gęstości współczynnik rozszerzalności wynosi 0. Jeśli temperatura nadal rośnie, współczynnik rozszerzalności ponownie staje się dodatni.
Jeśli odwrócisz gradient temperatury i schłodzisz wodę do punktu zamarzania, zacznie się ona rozszerzać w 40 F (4 C) i będzie się rozszerzać, aż zamarznie. To jest powód, dla którego rury wodociągowe pękają podczas mrozów i dlatego nigdy nie należy wkładać do zamrażarki szklanej butelki pełnej wody.