Supongo que se refiere al agua líquida, no al hielo, ya que 4 ° C es aproximadamente la temperatura (T) a la que el agua líquida tiene un volumen mínimo, a presión atmosférica.
La expansión del agua a niveles más bajos de T resulta de que las moléculas de agua se arreglan para minimizar la energía de sus interacciones. Para la mayoría de las moléculas, eso generalmente implica apretar un poco, pero el agua tiene una disposición de baja energía que es bastante abierta. Cuando las cosas se enfrían, se acomodan en arreglos de menor energía. A una T más alta, las moléculas muestrean estados de energía aún más altos, y la mayoría de ellas están sueltas, por lo que el líquido se expande, el comportamiento más típico.
No he dicho por qué 4 ° C es especial. Nada realmente especial sucede allí en la estructura del agua. Resulta que 4 ° C es la T en la que se cancela la expansión, debido al asentamiento en los estados especiales de baja energía, y la contracción, debido a la tendencia general de pasar más tiempo en contacto a baja T.
0 ° C es otra cuestión. En ese T, la tendencia a establecerse en una estructura especial de baja energía se desvanece de manera cooperativa y se forman cristales de hielo. Las muestras de agua justo por encima y por debajo de 0 ° C son muy diferentes. Justo por encima y por debajo de 4 ° C son casi lo mismo.
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