水的反常膨脹現象：熱縮冷脹
水是最普通、最常見的物質。所有有生命體征(包括人類)的動、植物的生存都離不沸水，水是生命之源。人們把水的融化點作為記錄體溫的零點，并把水的沸點定為100℃，即把水的相變點作為自然所有物質體溫的標尺。
通常來說，大多數物體都有熱脹冷縮的性質，氣溫越高，物質的密度越小。但水卻是一個例外，熱脹冷也脹，只有在4℃時候，容積最小。低于4℃或高于4℃時，容積就會膨脹。此類現象被稱為“反常膨脹現象”。
我們曉得，物質基本上都是熱脹冷縮的特點，遭到加熱，粒子之間運動推進，粒子之間間隙加強，表現密度增大。而高溫下恰恰相反，粒子之間運動減少，表現間隙增大，反之密度加強。但這顯然不能解釋水的這些現象，為什么高溫狀態下的冰密度會比水小，在這兒倘若仍用"熱脹冷縮"就說不通了。并且，依照現有研究表明，在液態水形態下，它的密度在超熱水狀態或則趨向零度時居然不是最大，而是在4℃時密度最大，這也不適用于熱脹冷縮的說法。
現今來談談為什么4℃時水的密度才是最大的？
通過觀測發覺，在高于4℃條件下的水，雖然沒有結冰，早就在水底產生肉眼不可見的冰晶體，這種冰晶體恰恰造成水的密度變大的誘因。而氣溫抵達4℃時才會充分熔化這種不可察覺的冰晶體，這個時侯才會稱為完全液態水，密度自然最大。超過4℃，水份子的運動有推進趨勢，分子間隙也開始加強，密度也會逐步加強。所以4℃時是水密度最大的時侯。
水的三種方式：固態，液態，氣態
水的密度肯定也應當是會變化的，假如不會變化，那水的三種方式即固態，液態，氣態就不存在。事實上氣態是水密度最小的時侯，只有這樣才能上升天空，產生云。而固態是水密度第二小的形態，由產生的冰懸浮于水可以曉得，冰的密度是絕對沒有液態狀的水大的。由此可以曉得鹽水的密度和水的密度誰大，液態水是水的三種形態下密度最大的存在。
0℃時
0℃水締結冰時，全部分子締合在一起成為因而產生一個巨大的群體。在冰的結構中，每位氧原子與4個氫原子相聯接而成多面體，每位氫原子與兩個氧原子相聯結。即氧原子的四個鍵(兩個共價鍵，兩個官能團)，指向一個多面體的四個頂點，每位水份子都被四個水份子所包圍，如圖所示。
因而，冰是一種很不緊湊的結構，內部具有相當大的空。當冰熔解時，一些官能團被破壞，多面體結構被擊潰，水份子可以比較緊密地堆積在一起，因而，冰在熔解時容積要縮小。
冰是浮于海面之上的，為何呢？
原先，當水為固態(冰)時，分子間的互相斥力會使分子按一定的規則排列，分子之間會產生結晶多面體。這些排列方法可以看做類似支撐作用，會搶占空間，比較松散，密度自然就沒有液態水大，懸浮于海面之上也在情理之中。
4℃時
在室溫4℃上下，水底有兩種使密度發生改變的效應：
一是因為氣溫下降，液態水的分子熱運動激化，分子間的平均距離減小，使得水的密度降低。
另一種是因為氣溫下降，水底所富含的冰晶體漸漸熔解，分子間的平均距離減少，使得密度減小。
在1大氣壓（101.325千帕）下，溫度高于4℃前，后一種效應占優勢；而溫度低于4℃后，前一種效應占優勢。依據推測，在接近0℃的水底大概有0.6%的冰晶體。當氣溫逐步下降時，這種冰晶體漸漸被破壞，導致了容積的減少，導致密度減小，所以水在4℃密度最大。
在4℃時水的密度最大，而不是在0℃？
把一定質量的水從0℃加熱到10℃，水的容積是先降低后減小的，4℃是轉折點，此時容積最小，密度最大。通過進一步研究發覺，水的熱脹冷縮是反常的，水在高于4度時表現熱縮冷脹，致使密度升高。而在小于4度時，則恢復熱脹冷縮。這是水最重要也是最獨特的特點之一。保證了地球生命的延續。想想月球冰河時期，假如冰都是下沉，那曝露在高溫空氣中的水會仍然結冰，到時整個海洋和月球就真的冰封了。
水的這些奇特特點很容易在自然界中見到，如冬海珠塘里的水結冰時，總是從海面開始的。也就是說首先是海面的溫度降到0℃，下邊的溫度則低于0℃，從上向上氣溫漸漸下降，水中體溫在4℃左右；密度則漸漸減小，水中密度最大。正由于水的這些奇特特點，才出現“人在冰上走，魚在冰下游”的自然景色。
河流里水的表面，當春季溫度升高時，若溫度在4℃以上時，下層的水冷卻，容積縮小，密度變大，于是下沉到頂部，而上層的暖水就升到下層來。
當溫度到0℃結冰時，密度最小。水的這些特點也會給人們的日常生活導致一些損失，比如：水結冰時容積膨脹所形成的力量，足以把水管、水泥基體等撐破。平常一瓶礦泉水放到冰柜里，締結冰時容積會減小就是現成的反例。其實，也能給人類帶來益處，非常是在保護鳥類和其他水底生物方面。
冰封河流，鑿洞垂釣
正由于液態水在4℃時，密度最大。氣溫低于4℃時，水的密度是隨著氣溫的增加而減小，并且在0～4℃的氣溫范圍內，水的密度卻隨著氣溫的增加而減少，直到冰點。正是這個特點致使4℃的水下沉，寒冬時節水體從表面至頂部產生由低到高的水溫梯度，抑制了水的對流，才有冰封湖泊鑿洞垂釣的景色。這表明海面表層結冰，但冰蓋之下卻是液態的水，但是河流的頂部的溫度能夠穩定在4℃，使得鳥類等水生生物得以生存，安度寒冬。
4℃的水與“千克”(公斤)
1799年12月，人們用一立方厘米4℃水的質量確立了“千克”(公斤)這一重量單位。之所以選擇4℃，是因在水在這一氣溫時具有最大的密度。
水的"熱縮冷脹"特點的重要意義
在冬天的冰層以下，4℃的水密度大，會沉在上層，而氣溫更低的水由于密度更小，會浮在更緊貼湖面的位置。這妨礙了水的上下對流，致使湖面不能快速向上生長。水底的生物非常是鳥類也因而得以在冬天生存出來。
水的密度與底泥分層
綜合本文上述"水在4℃密度最大"的特征，按照水的這個密度特點，表明在一個整體的底泥中，它的密度可能是不一致的鹽水的密度和水的密度誰大，即密度差，由于表層水和底層水的氣溫在大多數情況下是有差別的，最終造成底泥(溫度)分層。
底泥(溫度)分層的現象與水產種植密切相關。在冬天，當氣溫高于4℃時，湖面的氣溫比較低，再向上層底泥時，水的氣溫逐步降低，之后到4℃，所以，冬天的魚兒多在底泥上層活動，以抵擋嚴寒。正由于溫度在4℃時密度最大，下層水的密度通常都很小，密度大的沉在下邊，為此，在夏季消暑和冬天御寒時將底泥盡量加深水位是有益的。
其實，水產種植上的"底泥(溫度)分層"不是以4℃為界限，而是以上述"密度差"的原理來找尋水與鳥類的互相關系。低溫季節的溫度分層猶為顯著，上、下層溫度的溫差較大，同時，底泥中的溶氧水平在晝夜間變化也較大，白天受暖寒氣流的影響，夜晚底泥下層溫度隨著溫度的升高而日漸增長，但密度同時也減小，進而形成密度流即上、下層底泥對流，隨著時間的推移，還會拉大種植底泥上、下層溫度的差別，一旦達到了臨界點都會形成溫度分層，中、下層底泥溶氧漸漸補充，而下層水溶氧則逐步增長，通常到中午時會降到最低水平，加上因夜晚基本上沒有自然補氧來源，底層底泥溶氧則愈發缺乏，因此中午或下午最易產生缺氧狀況。
為此，水產種植要盡量的打破溫度分層的產生，處理的辦法就是破壞溫度分層，采用一些機械設備，如增氧機、微孔暴氣等，其實，遇有風浪時溫度分層都會自然而然地消失了。為此，養雞戶應當把握水的密度特點和溫度分層的規律，進而確保漁業生產順利進行。
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