熱学の内容を包含する概念を研究しているとき、いくつかの物体 (固体と液体の両方) は、温度が上昇すると寸法と体積が増加することがわかりました。しかし、物質によっては、温度が上昇すると物体の寸法が減少するという逆の過程に遭遇する場合があります。
一部の国では、冬は非常に厳しく、気温は常に 0℃ を下回ります。この気温の低下により、川、湖、池、パイプ内の水が凍結します。したがって、パイプ内の水が凍って壊れないように、これらの場所の住民は蛇口を滴らせたままにします。流量が少ないので水は凍りません。
前述したように、特定の物質または物体は、温度が上昇すると膨張します。水などの他の物質は、温度が 0°C から 4°C まで変化すると収縮し、一般的な場合の例外となります。この異常現象は次のように説明できます。
固体物質には酸素原子があり、酸素原子はいわゆる水素結合によって水素原子と結合します。水素原子と酸素原子が結合すると、分子間に大きな空隙が生じ、外部体積が増加します。
水を0℃から4℃に加熱すると、分子が破壊され、存在していた空隙が占有されます。したがって、この空きスペースの占有により、体積が減少します。しかし、水を4℃から100℃に加熱すると、通常通り膨張し始めます。
以下の図を見てみましょう。温度の関数としての体積と密度の挙動が示されています。最初のケースでは、0°C から 4°C までは水が最小体積に達し、4°C からは体積が正常に膨張することがわかります。
したがって、4℃では水の体積が最小になり、その結果、液体状態の水の密度が最大になります。