一般に物質は加熱すると膨張し、冷却すると収縮します。しかし、水にはこのような性質はありません。 4 °C から 100 °C までは、水は他の 物質 と同様に通常の挙動を示し、加熱すると体積が増加しますが、0 °C から 4 °C では、加熱すると膨張せずに収縮します。 水の異常な挙動が存在します！
この動作を説明する前に、いくつかの事実を確認してみましょう。
- 1) 水が加熱されると、その体積は減少します (0°C から 4°C の間)。
- 2) 水が加熱されると、その体積が増加します (4 °C から 100 °C の間)。
- 3）4℃から100℃の間では、水の体積が増加するにつれて密度が減少します（最小密度は水が蒸気に変化し始める100℃で発生します）。
- 4) 0°C と 4°C の間では、水の体積が減少するにつれて密度が増加します (最大密度は体積が可能な限り最小となる 4°C で発生します)。
これら 4 つの事実は、次のグラフで確認できます。
0℃では、水は固体状態になり、氷になります。固体（強く結合した分子）であるため、体積は最小限にする必要があります。しかし、水の固体状態では 水素結合 が形成されるため、これは起こりません。これらは、異なる分子のマイナス極とプラス極の引力から生じる分子結合を通じて発生し、より大きな面積を必要とする氷の幾何学形状を生成します。
したがって、同じ質量の水でも面積が大きくなる（ 体積 が大きくなる ）と密度が減少する傾向があり、氷は水に浮きます。
水を加熱すると、分子の撹拌が大きくなり、水素結合が切断されます。したがって、温度が上昇し始める 0 ℃ から 4 ℃ まで、橋が壊れ始めますが、水の体積は増加するのではなく、橋が壊れることにより水の体積が減少し、水の占める面積が減少します。
言い換えれば、氷の状態では、0℃から4℃の間よりも体積が大きくなりました。 4℃でほとんどの橋が壊れると、水は最小の体積になり、その瞬間から収縮が止まり、温度の上昇とともに膨張する傾向があり、すべての物質と同様に通常のプロセスが始まります。
0℃から4℃の間で氷の体積が大きくなる（密度が小さくなる）というこの現象により、湖は表面に氷の層を維持しますが、内部の水は液体状態のままであり、水生環境での生命の存在を可能にします。密度の高い水（温度が 4℃ に近い）は湖の底に沈む傾向があり、密度の低い水（0℃に近い） は 上昇する傾向があり、湖上に氷の層が形成されるのを助けるため、対流はこの状態を維持するのに役立ちます。表面。
この水の特徴の他の既知の例としては、 海面 の氷山や冷蔵庫内の凍った水で破裂したボトルなどがあります。
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