A água reage como qualquer outro composto às mudanças de temperatura, mas uma anomalia ocorre 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 se transformou em água e a temperatura começa a subir novamente, a expansão pára. Entre 32 e 40 graus Fahrenheit (0 e 4 graus Celsius), a água derretida realmente se contrai à medida que 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 redor dele, que é a razão pela qual o gelo flutua.

TL; DR (muito longo; 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 a uma taxa fixa. Entre as temperaturas de 0º F a 4º C, a água líquida na verdade se contrai com o aumento da temperatura.

Expansão do gelo, água e vapor

Como um 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 para gelo, que mede a mudança fracional de comprimento e largura por grau Kelvin, é uma constante 50 x 10 ^{-6 ÷ K. Isso significa que o gelo se expande em uma quantidade uniforme com cada grau de calor adicionado para ele.}

Quando o gelo se torna água líquida, ele não tem mais dimensões lineares fixas, mas tem volume. Os cientistas usam um coeficiente térmico diferente - o coeficiente de expansão de volume - para medir a resposta da água líquida à temperatura. Esse coeficiente, que mede as mudanças fracionais no 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 dos gases ideais: PV = nRT. Se a pressão (P) e o número de moles de vapor (n) se mantiverem constantes, o volume de vapor (V) aumenta linearmente com a temperatura (T). Nessa equação, R é uma constante chamada constante de gás ideal.

A anomalia crucial

Em seu ponto de fusão, a água exibe uma característica compartilhada por nenhum outro composto. Em vez de continuar a se expandir no estado líquido, ele se contrai e sua densidade aumenta até atingir um máximo de 40 F (4 C). Do ponto de fusão até este 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 voltará a ser positivo. p> Se você inverter o gradiente de temperatura e a água fria para o ponto de congelamento, ele começará a se expandir a 40 F (4 C) e continuará a se expandir até que se congele. Esta é a razão pela qual os canos de água explodem em climas congelantes e por que você nunca deve colocar uma garrafa de vidro cheia de água no freezer.