A água não se comporta termicamente como a maioria dos líquidos. Isto causa consequências muito importantes na natureza, em virtude da sua abundância em nosso planeta.

Certa quantidade de água a é colocada em um recipiente, o qual sua dilatação é muito pequena podendo ser desconsiderada. Aumentando a temperatura, o nível do líquido desce até a temperatura atingir . A partir daí, se o aquecimento continua , o nível da água passa a se elevar.

A conclusão que se pode tirar desse experimento é a de que, no aquecimento de a , a água sofre contração contração. No aquecimento acima de , ocorre dilatação.

O gráfico a seguir mostra a variação do volume sofrida pela água quando aquecida e a correspondente variação de sua densidade em função da temperatura.

O comportamento irregular da água, ao ter sua temperatura variada, é explicado pela existência de um tipo especial de ligação entre suas moléculas: as pontes de hidrogênio. Essa ligação é de natureza elétrica e ocorre entre átomos de hidrogênio de moléculas diferentes. As pontes de hidrogênio estabelecem – se pelo fato de as moléculas de água serem polares, isto é, elas apresentam uma certa polaridade elétrica.

A figura a seguir mostra moléculas de água e as pontes de hidrogênio.

Então, quando a temperatura de certa quantidade de água aumenta a partir de , ocorrem dois efeitos que se opõem quanto à sua manifestação macroscópica:

• a maior agitação térmica molecular produz um aumento na distância média entre as moléculas, o que se traduz por um aumento de volume (dilatação);
• as pontes de hidrogênio se rompem e, devido a esse rompimento, na nova situação de equilíbrio as moléculas se aproximam umas das outras, o que se traduz por uma diminuição de volume (contração).

Ambos os efeitos estão sempre ocorrendo. A predominância de um ou outro efeito é que vai acarretar a dilatação ou contração da água. Daí podemos concluir que, de a , predomina o segundo efeito (rompimento das pontes de hidrogênio), acarretando contração da água.

No aquecimento acima de , o efeito predominante passa a ser o primeiro (aumento da distância entre as moléculas) e, por isso, ocorre dilatação.

Congelamento de lagos e mares

Em regiões muito frias, com invernos rigorosos, observa-se que os lagos têm sua superfície congelada, mas a água no fundo permanece no estado líquido,com temperatura entre e . Essa ocorrência é providencial, no sentido de preservar a vida aquática no fundo dos lagos e mares dessas regiões. A explicação fundamenta-se no comportamento da água quando varia a temperatura e está esquematizada a seguir.

Suponhamos que em um dado instante, a temperatura do ar comece a cair. A água da superfície, em contato com o ar, esfria-se e fica mais densa que a água do fundo. Essa diferença de densidade provoca a movimentação da água: sobe água “quente” e desce água “fria”, como é indicado na figura. No entanto, ao ser atingida a temperatura de , essa movimentação cessa, pois, nessa temperatura, a água da superfície fica menos densa que a água do fundo, não sendo mais possível trocar de posição. A água da superfície pode chegar a se congelar, mas a do fundo mantém -se líquida. O resfriamento da água do fundo ocorre muito lentamente, porque tanto a água líquida quanto o gelo conduzem mal o calor.