Как и другие тела, вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако по этому свойству она сильно отличается от всех других тел и веществ.
При охлаждении вода сжимается, но при приближении к температуре +4°С ее сжатие замедляется, а затем и останавливается. При температуре +4°С сжатие воды сменяется расширением, которое происходит до температуры ее замерзания. Превращаясь в лед, вода расширяется еще сильнее. Следовательно, вода при температуре +4°С имеет наибольшую плотность, а затем при дальнейшем охлаждении плотность ее уменьшается. Самая низкая плотность воды бывает при 0°С, то есть при превращении ее в лед. Вода при наибольшей плотности (4°С) самая тяжелая.
Особенность теплового расширения воды имеет большое значение в природе. Благодаря тому что вода при температуре +4°С наиболее тяжелая, с наступлением холодных дней, охлаждаясь до этой температуры, она опускается в глубину водоема, а более теплая вода поднимается вверх, где охлаждается и вновь опускается вниз. Перемешивание воды (конвекция) происходит до тех пор, пока температура всей воды в водоеме не понизится до +4°С.
Далее вода в поверхностном слое охлаждается до +3°С, +1°С, но при этой температуре она имеет меньшую плотность и не опускается вниз. Затем самый верхний слой воды, охлаждаясь, превращается в лед, плотность которого меньше плотности воды.
Водоем зимой
Если бы вода сжималась при охлаждении так же, как и другие тела, то самой тяжелой была бы вода при температуре около 0°С, а лед был бы тяжелее воды. Образуясь зимой на поверхности водоема, тяжелый лед опускался бы на дно и в первые же месяцы зимы все водоемы были бы полностью заполнены им. Жизнь в водоемах стала бы невозможной.
Подземные воды, не соприкасающиеся с морозным воздухом, не замерзают. Поэтому ключи и родники зимой сдерживают снижение температуры в наземных водоемах.
Таким образом, благодаря особенностям теплового расширения воды температура ее в верхних слоях водоемов не бывает ниже +1°С, а в глубоких слоях — ниже +4°С. Поэтому в течение длинной зимы в водоемах подо льдом многие их обитатели продолжают активную жизнь, а рыболовы любители имеют возможность заниматься зимней рыбалкой.
Вместе с тем жизнь обитателей водоемов связана не только с температурой воды. С появлением ледяного покрова вода отделяется от атмосферного воздуха и создаются условия, затрудняющие дыхание многих водных животных. Из за недостатка растворенного в воде кислорода зимой в прудах, озерах и даже в крупных реках иногда происходят катастрофические явления — заморы, сопровождающиеся массовой гибелью рыб. С целью их предотвращения с помощью специальных приборов во льду водоемов делают проруби.
Особенности теплового расширения воды учитывают при ее использовании в промышленности и в быту: водопроводные трубы и трубы водяного отопления прокладывают в земле на такой глубине, где вода в них не может превращаться в лед.
