Comportamento anômalo da água

Por que ao colocar a mesma garrafa de água no congelador várias vezes, ela rompe e começa a vazar água por furos?

Diferentemente de outras substâncias, que dilatam quando aquecidas e se contraem quando resfriadas, a água quando esfriada à uma temperatura entre 4°C e 0°C, tende a expandir e, por conseguinte, aumentar seu Volume.

Isso devido sua formação molecular: formada por Ligações de Hidrogênio que reagem à elevação de temperatura acima de 0°C, rompendo-se; quando isso ocorre, suas moléculas se aproximam uma das outras, reduzindo o Volume.

Sendo assim, quando a água que estava à temperatura ambiente começa a ser resfriada no congelador, as Ligações de Hidrogênio se rompem e suas moléculas começam a ocupar um espaço maior que quando estava em estado líquido.

De 4°C até 0°C, o processo de dilatação da água continua em progresso. Com um Volume maior do que o suportado pela garrafa, a água começa a pressionar o recipiente, de dentro para fora, e com isso acontecendo regularmente, vai chegar uma hora em que a garrafa não vai mais suportar e romperá. (Vale tanto para garrafas de plástico quanto para as de vidro. Com a diferença que o vidro se quebra mais pela ação de sua própria contração quando resfriado, do que pela ação da água.)

Curiosidade

Em países que costumam apresentar temperaturas muito baixas, a ponto dos lagos congelarem, é essa propriedade da água que evita que o lago todo congele e se torne um enorme bloco de gelo.

Tendo sempre em mente que Densidade é inversamente proporcional ao Volume, a explicação é dada em 3 partes:

Temperatura superior à 4°C: A superfície do lago congela, seu Volume diminui e sua Densidade aumenta. Ocorre Convecção Térmica entre a porção superior da água (mais densa) e a porção inferior (menos densa). A porção mais densa desce e se "aquece", enquanto a porção menos densa sobe e "resfria"; o processo acontece continuamente. Com essa "movimentação" das porções de água, a temperatura se torna uniforme, de modo a evitar que o lago todo congele.

Temperatura entre 4°C e 0°C: A água se expande, seu Volume aumenta, sua Densidade diminui e as correntes de convecção são interrompidas.

Temperatura abaixo de 0°C: A água volta a se comportar como a maioria dos líquidos. Quanto mais a temperatura diminui, menor é o Volume da água e maior é sua Densidade. Desse modo, o processo descrito na "Temperatura acima de 4°C" volta a ocorrer e as correntes de convecção voltam a manter a temperatura do lago uniforme.

Referências:

Apostila de Física, Sistema Uno Internacional. Dilatação Térmica; N° 10; Capítulo 4; Páginas 36 e 37

http://www.brasilescola.com/fisica/a-agua-seu-comportamento-irregula.htm

http://www.mundoeducacao.com/fisica/anomalia-agua.htm

http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_34.asp

http://www.brasilescola.com/quimica/densidade.htm