一般物质由于温度影响,其体积为热胀冷缩.但也有少数热缩冷胀的物质,如水、锑、铋、液态铁等,在某种条件下恰好与上面的情况相反.实验证明,对0℃的水加热到4℃时,其体积不但不增大,反而缩小.当水的温度高于4℃时,它的体积才会随着温度的升高而膨胀.因此,水在4℃时的体积最小,密度最大.湖泊里水的表面,当冬季气温下降时,若水温在4℃以上时,上层的水冷却,体积缩小,密度变大,于是下沉到底部,而下层的暖水就升到上层来.这样,上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置,整个的水温逐渐降低.这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止.当水温降到4℃以下时,上层的水反而膨胀,密度减小,于是冷水层停留在上面继续冷却,一直到温度下降到0℃时,上面的冷水层结成了冰为止.以上阶段热的交换主要形式是对流.当冰封水面之后,水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递.由于水的导热性能很差,因此湖底的水温仍保持在4℃左右.这种水的反常膨胀特性,保证了水中的动植物,能在寒冷季节内生存下来.这里还应注意到,冰在冷却时与一般物质相同,也是缩小的.受热则膨胀,只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来.
水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释.
物质的密度由物质内分子的平均间距决定.对于水来说,由于水中存在大量单个水分子,也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子,而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大,所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定.具体地说,水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定.当温度升高时,水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时,水分子的热运动减慢、缔合作用加强.综合考虑两个因素的影响,便可得知水的密度变化规律.