Vatten reagerar som alla andra föreningar på förändrade temperaturer, men en anomali uppträder i ett smalt område runt smältpunkten, och det är en förändring som gör stor skillnad. När du värmer is får molekylerna kinetisk energi och isen expanderar tills den smälter. Men när all is har förvandlats till vatten och temperaturen börjar stiga igen, stannar expansionen. Mellan 32 och 40 grader Fahrenheit (0 och 4 grader Celsius), smälter vattnet faktiskt när temperaturen stiger. Utöver 40 F (4 C) börjar den expandera igen. Detta fenomen gör isen mindre tät än vattnet runt det, vilket är anledningen till att is flyter.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Is expanderar med en fast hastighet, flytande vatten expanderar med en accelererande hastighet med ökande temperatur och ånga expanderar igen med en fast hastighet. Mellan temperaturerna 32 F (0 C) och 40 F (4 C) dras flytande vatten faktiskt med ökande temperatur.
Expansion av is, vatten och ånga
Som ett fast ämne kan is endast expanderas linjärt, vilket innebär att längden och bredden på en isbit kan förändras. Koefficienten för linjär expansion för is, som mäter fraktionerad förändring av längd och bredd per grad Kelvin, är konstant 50 x 10
-6÷ K. Det betyder att is expanderar i en jämn mängd med varje grad av värme du lägger till den.När is blir flytande vatten har den inte längre fasta linjära dimensioner utan har volym. Forskare använder en annan termisk koefficient - volymutvidgningskoefficienten - för att mäta flytande vattnets svar på temperaturen. Denna koefficient, som mäter bråkförändringar i volym per grad Kelvin, är inte fast. Den ökar med monteringstemperaturen tills vattnet börjar koka. Med andra ord expanderar flytande vatten i ökande takt när temperaturen stiger.
När vatten förvandlas till ånga expanderar det enligt den ideala gaslagen: PV = nRT. Om trycket (P) och antalet mol ånga (n) håller sig konstant, ökar volymen ånga (V) linjärt med temperaturen (T). I denna ekvation är R en konstant som kallas idealgaskonstanten.
Den avgörande avvikelsen
Vid sin smältpunkt uppvisar vatten en egenskap som delas av ingen annan förening. Istället för att fortsätta att expandera i flytande tillstånd dras det samman och dess densitet ökar tills det uppnår ett maximum vid 40 F (4 C). Från smältpunkten till denna kritiska punkt är expansionskoefficienten negativ, och vid punkten med maximal densitet är expansionskoefficienten 0. Om temperaturen fortsätter att stiga blir expansionskoefficienten igen positiv.
Om du vänder temperaturgradienten och svalnar vattnet till fryspunkten börjar det expandera vid 40 ° C (4 ° C) och fortsätter att expandera tills det fryser. Detta är anledningen till att vattenledningar spränger i frysande väder och varför du aldrig ska lägga en glasflaska full med vatten i frysen.