El agua posee propiedades térmicas únicas que la distinguen. A diferencia de moléculas de peso molecular similar, el agua presenta puntos de fusión y ebullición excepcionalmente altos (Cuadro 3-2). Si siguiera el patrón de compuestos como el sulfuro de hidrógeno, debería solidificar a -100 °C y hervir a -91 °C. Bajo estas condiciones, gran parte del agua en la Tierra estaría en estado de vapor, lo cual haría que la vida fuera improbable. Sin embargo, en realidad el agua se congela a 0 °C y hierve a 100 °C. Por lo tanto, el agua es líquida en la mayor parte del rango de temperaturas que caracteriza a la superficie terrestre. Este comportamiento anómalo se debe a la formación de enlaces de hidrógeno.

Debido a su estructura molecular, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. Cada una de estas moléculas a su vez puede establecer enlaces de hidrógeno con otras. El número máximo de enlaces de hidrógeno se forma cuando el agua se solidifica y se convierte en hielo (Fig. 3-8). Romper estos enlaces requiere energía. Al calentar el hielo hasta su punto de fusión, aproximadamente el 15 % de los enlaces de hidrógeno se rompen. El agua líquida está compuesta por agrupaciones de moléculas similares al hielo, en las cuales los enlaces de hidrógeno se rompen y se forman de manera continua.

A medida que se incrementa la temperatura, el movimiento y las vibraciones de las moléculas de agua se aceleran, lo que lleva a la ruptura de más enlaces de hidrógeno. Cuando se alcanza el punto de ebullición, las moléculas de agua se liberan unas de otras y se evaporan. La energía necesaria para aumentar la temperatura del agua es considerablemente mayor de lo esperado (Cuadro 3-3). Además de la energía absorbida por el incremento en la agitación molecular, una cantidad significativa de energía se disipa debido a la vibración rápida de los átomos de hidrógeno compartidos entre los átomos de oxígeno.

Una consecuencia de la alta entalpía de vaporización (energía requerida para convertir un mol de líquido en vapor a una atmósfera de presión) y la alta capacidad calorífica (energía necesaria para elevar o reducir la temperatura en un grado Celsius) del agua es su capacidad para actuar como regulador eficiente de la temperatura climática. El agua puede absorber y almacenar calor solar, liberándolo lentamente. Por ejemplo, observemos las transiciones de temperatura relativamente suaves en las áreas cercanas a los océanos cuando cambian las estaciones. En contraste, en el interior de grandes masas terrestres como el Medio Oeste de Estados Unidos, las estaciones comienzan bruscamente y las diferencias de temperatura entre ellas pueden ser significativas. En regiones extremadamente secas como el desierto del Sahara.

El papel fundamental del agua en la regulación térmica de los organismos vivos no debe pasarse por alto. Su capacidad calorífica excepcionalmente alta, junto con el abundante contenido de agua presente en la mayoría de las especies (entre el 50 % y el 95 %), desempeña un papel crucial en el mantenimiento de la temperatura interna óptima. La evaporación del agua se aprovecha como un eficaz mecanismo de enfriamiento, ya que permite la pérdida significativa de calor. Tomemos como ejemplo a un ser humano adulto, quien puede eliminar hasta 1200 g de agua diariamente a través de la respiración, la sudoración y la excreción urinaria. Esta pérdida de calor resultante puede representar aproximadamente el 20 % del total de calor generado por los procesos metabólicos. En resumen, el agua, con sus propiedades termales peculiares, se convierte en un componente esencial para la termorregulación en los seres vivos, garantizando así su funcionamiento óptimo.