น้ำขยายตัวหรือหดตัวเมื่อถูกความร้อนหรือไม่?

น้ำตอบสนองเหมือนกับสารประกอบอื่นๆ ต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง แต่สิ่งผิดปกติเกิดขึ้นในช่วงแคบๆ รอบจุดหลอมเหลว และเป็นการเปลี่ยนแปลงที่สร้างความแตกต่างอย่างมาก เมื่อคุณให้ความร้อนกับน้ำแข็ง โมเลกุลจะได้รับพลังงานจลน์ และน้ำแข็งจะขยายตัวจนละลาย แต่เมื่อน้ำแข็งกลายเป็นน้ำและอุณหภูมิเริ่มสูงขึ้นอีกครั้ง การขยายตัวจะหยุดลง ระหว่าง 32 ถึง 40 องศาฟาเรนไฮต์ (0 ถึง 4 องศาเซลเซียส) น้ำที่ละลายแล้วจะหดตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เกิน 40 F (4 C) ก็เริ่มขยายตัวอีกครั้ง ปรากฏการณ์นี้ทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อยู่รอบๆ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้น้ำแข็งลอยได้

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

น้ำแข็งขยายตัวในอัตราคงที่ น้ำของเหลวขยายตัวในอัตราเร่งด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและไอน้ำจะขยายตัวอีกครั้งในอัตราคงที่ ระหว่างอุณหภูมิ 32 F (0 C) ถึง 40 F (4 C) น้ำของเหลวจะหดตัวตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

ในฐานะที่เป็นของแข็ง น้ำแข็งสามารถขยายตัวเป็นเส้นตรงเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าความยาวและความกว้างของก้อนน้ำแข็งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของน้ำแข็ง ซึ่งวัดการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนของความยาวและความกว้างต่อองศาเคลวิน เป็นค่าคงที่ 50 x 10

เมื่อน้ำแข็งกลายเป็นน้ำของเหลว จะไม่มีมิติเชิงเส้นคงที่อีกต่อไป แต่มีปริมาตร นักวิทยาศาสตร์ใช้ค่าสัมประสิทธิ์ทางความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของปริมาตร เพื่อวัดการตอบสนองของน้ำของเหลวต่ออุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์นี้ ซึ่งวัดการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนในปริมาตรต่อองศาเคลวิน ไม่คงที่ จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่ติดตั้งจนน้ำเริ่มเดือด กล่าวอีกนัยหนึ่ง น้ำของเหลวจะขยายตัวในอัตราที่เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

เมื่อน้ำกลายเป็นไอน้ำ มันจะขยายตัวตามกฎของแก๊สในอุดมคติ: PV = nRT หากความดัน (P) และจำนวนโมลของไอ (n) คงที่ ปริมาตรของไอน้ำ (V) จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามอุณหภูมิ (T) ในสมการนี้ R เป็นค่าคงที่ที่เรียกว่าค่าคงที่ของแก๊สในอุดมคติ

ที่จุดหลอมเหลว น้ำมีลักษณะพิเศษร่วมกันโดยไม่มีสารประกอบอื่น แทนที่จะขยายตัวต่อไปในสถานะของเหลว มันจะหดตัวและความหนาแน่นเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงค่าสูงสุดที่ 40 F (4 C) จากจุดหลอมเหลวถึงจุดวิกฤตนี้ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเป็นลบ และที่จุดที่มีความหนาแน่นสูงสุด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเท่ากับ 0 หากอุณหภูมิยังคงสูงขึ้น สัมประสิทธิ์การขยายตัวจะกลายเป็นบวกอีกครั้ง

หากคุณย้อนกลับการไล่ระดับอุณหภูมิและน้ำเย็นไปยังจุดเยือกแข็ง อุณหภูมิจะเริ่มขยายตัวที่ 40 F (4 C) และขยายตัวต่อไปจนกว่าจะแข็งตัว นี่คือสาเหตุที่ท่อน้ำแตกในสภาพอากาศหนาวเย็น และทำไมคุณจึงไม่ควรใส่ขวดน้ำที่เต็มไปด้วยน้ำในช่องแช่แข็ง