El agua responde como cualquier otro compuesto a las temperaturas cambiantes, pero una anomalía ocurre en un rango estrecho alrededor del punto de fusión, y es un cambio que hace una gran diferencia. Cuando calientas el hielo, las moléculas obtienen energía cinética y el hielo se expande hasta que se derrite. Pero una vez que todo el hielo se ha convertido en agua y la temperatura comienza a aumentar nuevamente, la expansión se detiene. Entre 32 y 40 grados Fahrenheit (0 y 4 grados Celsius), el agua derretida en realidad se contrae a medida que aumenta la temperatura. Más allá de 40 F (4 C), comienza a expandirse nuevamente. Este fenómeno hace que el hielo sea menos denso que el agua a su alrededor, razón por la cual el hielo flota.

TL; DR (Demasiado largo; No lo leyó)

El hielo se expande a una tasa fija , el agua líquida se expande a un ritmo acelerado al aumentar la temperatura y el vapor se expande nuevamente a una tasa fija. Entre las temperaturas de 32 F (0 C) a 40 F (4 C), el agua líquida en realidad se contrae al aumentar la temperatura.

Expansión de Hielo, Agua y Vapor

Como un sólido, hielo solo puede expandirse linealmente, lo que significa que la longitud y el ancho de un cubito de hielo pueden cambiar. El coeficiente de expansión lineal para hielo, que mide el cambio fraccional de longitud y ancho por grado Kelvin, es una constante de 50 x 10 ^{-6 ÷ K. Esto significa que el hielo se expande en una cantidad uniforme con cada grado de calor que agregue a él.}

Cuando el hielo se convierte en agua líquida, ya no tiene dimensiones lineales fijas, pero tiene volumen. Los científicos usan un coeficiente térmico diferente, el coeficiente de expansión del volumen, para medir la respuesta del agua líquida a la temperatura. Este coeficiente, que mide cambios fraccionarios en el volumen por grado Kelvin, no es fijo. Aumenta con la temperatura de montaje hasta que el agua comienza a hervir. En otras palabras, el agua líquida se expande a un ritmo creciente a medida que aumenta la temperatura.

Cuando el agua se convierte en vapor, se expande de acuerdo con la ley de los gases ideales: PV = nRT. Si la presión (P) y el número de moles de vapor (n) se mantienen a una constante, el volumen de vapor (V) aumenta linealmente con la temperatura (T). En esta ecuación, R es una constante llamada la constante de gas ideal.

La Anomalía Crucial

En su punto de fusión, el agua exhibe una característica compartida por ningún otro compuesto. En lugar de continuar expandiéndose en estado líquido, se contrae y su densidad aumenta hasta que alcanza un máximo a 40 F (4 C). Desde el punto de fusión hasta este punto crítico, el coeficiente de expansión es negativo, y en el punto de máxima densidad, el coeficiente de expansión es 0. Si la temperatura continúa aumentando, el coeficiente de expansión vuelve a ser positivo.

Si invierte el gradiente de temperatura y el agua fría hasta el punto de congelación, comienza a expandirse a 40 ° F (4 ° C) y continúa expandiéndose hasta que se congela. Esta es la razón por la cual las tuberías de agua estallan en climas fríos y por qué nunca debe poner una botella de vidrio llena de agua en el congelador.