Apa răspunde ca orice alt compus la schimbarea temperaturilor, dar o anomalie apare într-un interval îngust în jurul punctului de topire și este o schimbare care face o mare diferență. Când încălziți gheața, moleculele câștigă energie cinetică, iar gheața se extinde până când se topește. Dar odată ce toată gheața s-a transformat în apă și temperatura începe să crească din nou, expansiunea se oprește. Între 32 și 40 de grade Fahrenheit (0 și 4 grade Celsius), apa topită se contractă de fapt pe măsură ce temperatura crește. Dincolo de 40 F (4 C), începe să se extindă din nou. Acest fenomen face ca gheața să fie mai puțin densă decât apa din jurul său, motiv pentru care gheața plutește.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Gheața se extinde cu o rată fixă, apa lichidă se extinde cu o viteză accelerată odată cu creșterea temperaturii și aburul se extinde din nou cu o rată fixă. Între temperaturile de 32 F (0 C) la 40 F (4 C), apa lichidă se contractă de fapt cu creșterea temperaturii.
Extinderea gheții, apei și aburului
Ca solid, gheața se poate extinde numai liniar, ceea ce înseamnă că lungimea și lățimea unui cub de gheață se pot schimba. Coeficientul de expansiune liniară pentru gheață, care măsoară schimbarea fracționată a lungimii și lățimii pe grade Kelvin, este o constantă de 50 x 10-6÷ K. Aceasta înseamnă că gheața se extinde într-o cantitate uniformă cu fiecare grad de căldură pe care îl adăugați.
Când gheața devine apă lichidă, nu mai are dimensiuni liniare fixe, ci are volum. Oamenii de știință folosesc un coeficient termic diferit - coeficientul de expansiune a volumului - pentru a măsura răspunsul apei lichide la temperatură. Acest coeficient, care măsoară modificările fracționate ale volumului pe grad Kelvin, nu este fix. Crește odată cu temperatura de montare până când apa începe să fiarbă. Cu alte cuvinte, apa lichidă se extinde la un ritm crescător pe măsură ce temperatura crește.
Când apa se transformă în abur, se extinde conform legii gazelor ideale: PV = nRT. Dacă presiunea (P) și numărul de moli de vapori (n) se mențin la o constantă, volumul de abur (V) crește liniar cu temperatura (T). În această ecuație R este o constantă numită constantă de gaz ideală.
Anomalia crucială
La punctul său de topire, apa prezintă o caracteristică împărtășită de niciun alt compus. În loc să continue să se extindă în stare lichidă, se contractă și densitatea sa crește până când atinge un maxim la 40 F (4 C). De la punctul de topire până la acest punct critic, coeficientul de expansiune este negativ, iar în punctul densității maxime, coeficientul de expansiune este 0. Dacă temperatura continuă să crească, coeficientul de expansiune devine din nou pozitiv.
Dacă inversați gradientul de temperatură și apă rece până la punctul de îngheț, aceasta începe să se extindă la 40 F (4 C) și continuă să se extindă până când îngheță. Acesta este motivul pentru care conductele de apă au izbucnit în vreme înghețată și de ce nu ar trebui să puneți niciodată o sticlă de sticlă plină cu apă în congelator.