Вода, как и любое другое соединение, реагирует на изменение температуры, но аномалия возникает в узком диапазоне вокруг точки плавления, и это изменение имеет большое значение. Когда вы нагреваете лед, молекулы получают кинетическую энергию, и лед расширяется, пока не тает. Но как только весь лед превратился в воду и температура снова начинает расти, расширение прекращается. При температуре от 32 до 40 градусов по Фаренгейту (от 0 до 4 градусов по Цельсию) талая вода фактически сжимается при повышении температуры. При температуре выше 40 F (4 C) он снова начинает расширяться. Это явление делает лед менее плотным, чем вода вокруг него, поэтому лед плавает.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Лед расширяется с фиксированной скоростью, жидкая вода расширяется с ускорением при повышении температуры, а пар снова расширяется с фиксированной скоростью. Между температурами от 32 F (0 C) до 40 F (4 C) жидкая вода фактически сжимается при повышении температуры.
Расширение льда, воды и пара
В твердом состоянии лед может расширяться только линейно, а это означает, что длина и ширина кубика льда могут изменяться. Коэффициент линейного расширения льда, который измеряет относительное изменение длины и ширины на градус Кельвина, является константой 50 x 10.
-6÷ К. Это означает, что лед расширяется в равной степени с каждым градусом добавляемого к нему тепла.Когда лед становится жидкой водой, он больше не имеет фиксированных линейных размеров, но имеет объем. Ученые используют другой тепловой коэффициент - коэффициент объемного расширения - для измерения реакции жидкой воды на температуру. Этот коэффициент, который измеряет относительные изменения объема на градус Кельвина, не является фиксированным. Он увеличивается с ростом температуры, пока вода не закипит. Другими словами, жидкая вода расширяется с возрастающей скоростью при повышении температуры.
Когда вода превращается в пар, она расширяется согласно закону идеального газа: PV = nRT. Если давление (P) и количество молей пара (n) остаются постоянными, объем пара (V) увеличивается линейно с температурой (T). В этом уравнении R - постоянная, называемая постоянной идеального газа.
Решающая аномалия
В точке плавления вода обладает характеристиками, характерными для других соединений. Вместо того, чтобы продолжать расширяться в жидком состоянии, он сжимается, и его плотность увеличивается, пока не достигает максимума при 40 F (4 C). От точки плавления до этой критической точки коэффициент расширения отрицательный, а в точке максимальной плотности коэффициент расширения равен 0. Если температура продолжает расти, коэффициент расширения снова становится положительным.
Если изменить температурный градиент и охладить воду до точки замерзания, она начнет расширяться при 40 F (4 C) и продолжит расширяться, пока не замерзнет. Это причина того, что водопроводные трубы лопаются в морозную погоду, и поэтому никогда не ставьте стеклянную бутылку с водой в морозильную камеру.