Vatten reagerar som vilken annan förening som helst på ändrade temperaturer, men en anomali uppstår i ett smalt område runt smältpunkten, och det är en förändring som gör stor skillnad. När du värmer is får molekylerna rörelseenergi, och isen expanderar tills den smälter. Men när all is har förvandlats till vatten och temperaturen börjar stiga igen, upphör expansionen. Mellan 32 och 40 grader Fahrenheit (0 och 4 grader Celsius) drar det smälta vattnet faktiskt ihop när temperaturen stiger. Över 40 F (4 C) börjar den expandera igen. Detta fenomen gör isen mindre tät än vattnet runt den, vilket är anledningen till att isen flyter.
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 på 32 F (0 C) till 40 F (4 C), drar flytande vatten faktiskt ihop med ökande temperatur.
Expansion av Is, vatten och ånga
Som fast material kan is bara expandera linjärt, vilket betyder längden och bredden av en isbit kan förändras. Den linjära expansionskoefficienten för is, som mäter fraktionerad förändring av längd och bredd per grad Kelvin, är en konstant 50 x 10-6÷ K. Detta innebär att is expanderar i en jämn mängd med varje värmegrad du lägger till den.
När is blir flytande vatten har den inte längre fasta linjära dimensioner, men den har volym. Forskare använder en annan termisk koefficient – volymexpansionskoefficienten – för att mäta reaktionen av flytande vatten på temperaturen. Denna koefficient, som mäter fraktionella förändringar i volym per grad Kelvin, är inte fast. Den ökar med monteringstemperaturen tills vattnet börjar koka. Med andra ord, flytande vatten expanderar i en ökande hastighet när temperaturen går upp.
När vatten omvandlas till ånga, expanderar den enligt idealgaslagen: PV = nRT. Om trycket (P) och antalet mol ånga (n) hålls konstant, ökar volymen av ånga (V) linjärt med temperaturen (T). I denna ekvation är R en konstant som kallas idealgaskonstanten.
The Crucial Anomaly
Vid sin smältpunkt uppvisar vatten en egenskap som inte delas av någon annan förening. Istället för att fortsätta expandera i flytande tillstånd drar den ihop sig och dess densitet ökar tills den når 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 på temperaturgradienten och kallt vatten till fryspunkten börjar det expandera vid 40 F (4 C) och fortsätter att expandera tills den fryser. Detta är anledningen till att vattenledningar sprängs i kallt väder och varför du aldrig ska lägga en glasflaska full med vatten i frysen.
