A água responde como qualquer outro composto às mudanças de temperatura, mas ocorre uma anomalia em uma faixa estreita em torno do ponto de fusão, e é uma mudança que faz uma grande diferença. Quando você aquece o gelo, as moléculas ganham energia cinética e o gelo se expande até derreter. Mas uma vez que todo o gelo virou água e a temperatura começa a subir novamente, a expansão para. Entre 32 e 40 graus Fahrenheit (0 e 4 graus Celsius), a água derretida na verdade se contrai quando a temperatura aumenta. Além de 40 F (4 C), ele começa a se expandir novamente. Esse fenômeno torna o gelo menos denso do que a água ao seu redor, razão pela qual o gelo flutua.

TL; DR (muito tempo; não leu)

O gelo se expande a uma taxa fixa , a água líquida se expande a uma taxa acelerada com o aumento da temperatura e o vapor se expande novamente a uma taxa fixa. Entre as temperaturas de 32 F (0 C) a 40 F (4 C), a água líquida na verdade contrai com o aumento da temperatura.
Expansão de gelo, água e vapor

Como sólido, o gelo só pode expandir linearmente, o que significa que o comprimento e a largura de um cubo de gelo podem mudar. O coeficiente de expansão linear do gelo, que mede a mudança fracionária de comprimento e largura por grau Kelvin, é uma constante de 50 x 10 ^{-6 ÷ K. Isso significa que o gelo se expande em uma quantidade uniforme com cada grau de calor adicionado a ele.}

Quando o gelo se torna água líquida, ele não tem mais dimensões lineares fixas, mas possui volume. Os cientistas usam um coeficiente térmico diferente - o coeficiente de expansão do volume - para medir a resposta da água líquida à temperatura. Este coeficiente, que mede alterações fracionárias em volume por grau Kelvin, não é fixo. Aumenta com a temperatura de montagem até a água começar a ferver. Em outras palavras, a água líquida se expande a uma taxa crescente à medida que a temperatura aumenta.

Quando a água se transforma em vapor, ela se expande de acordo com a lei ideal dos gases: PV \u003d nRT. Se a pressão (P) e o número de moles de vapor (n) se mantiverem constantes, o volume de vapor (V) aumentará linearmente com a temperatura (T). Nesta equação, R é uma constante chamada constante ideal de gás.
A anomalia crucial

No seu ponto de fusão, a água exibe uma característica compartilhada por nenhum outro composto. Em vez de continuar a se expandir no estado líquido, contrai-se e sua densidade aumenta até atingir um máximo de 40 F (4 C). Do ponto de fusão até esse ponto crítico, o coeficiente de expansão é negativo e, no ponto de densidade máxima, o coeficiente de expansão é 0. Se a temperatura continuar a subir, o coeficiente de expansão novamente se torna positivo.

Se você reverter o gradiente de temperatura e a água fria até o ponto de congelamento, ele começará a se expandir a 40 F (4 C) e continuará a se expandir até congelar. Esta é a razão pela qual os canos de água estouram com o tempo frio e por que você nunca deve colocar uma garrafa de vidro cheia de água no freezer.