水的反常膨胀现象：热缩冷胀
水是最普通、最常见的物质。所有有生命体征(包括人类)的动、植物的生存都离不开水，水是生命之源。人们把水的凝固点作为记录温度的零点，并把水的沸点定为100℃，即把水的相变点作为自然所有物质温度的标尺。
一般来说，大多数物体都有热胀冷缩的性质，温度越高，物质的密度越小。但水却是一个例外，热胀冷也胀，只有在4℃时候，体积最小。高于4℃或低于4℃时，体积都会膨胀。这种现象被称为“反常膨胀现象”。
我们知道，物质基本上都是热胀冷缩的特性，受到加热，粒子之间运动加快，粒子之间间隙加大，表现密度减小。而低温下恰恰相反，粒子之间运动减小，表现间隙减小，反之密度加大。但这似乎不能解释水的这种现象，为何低温状态下的冰密度会比水小，在这里如果仍用"热胀冷缩"就说不通了。而且，根据现有研究表明，在液态水形态下，它的密度在超冷水状态或者趋于零度时竟然不是最大，而是在4℃时密度最大，这也不适用于热胀冷缩的说法。
现在来说说为何4℃时水的密度才是最大的？
通过观测发现，在低于4℃条件下的水，即使没有结冰，早就在水中形成肉眼不可见的冰晶体，这些冰晶体恰恰导致水的密度变大的原因。而温度到达4℃时才能充分融化这些不可察觉的冰晶体，这个时候才能称为完全液态水，密度自然最大。超过4℃，水分子的运动有加快趋势，分子间隙也开始加大，密度也会逐渐加大。所以4℃时是水密度最大的时候。
水的三种形式：固态，液态，气态
水的密度肯定也应该是会变化的，如果不会变化，那水的三种形式即固态，液态，气态就不存在。事实上气态是水密度最小的时候，只有这样才会上升天空，形成云。而固态是水密度第二小的形态，由形成的冰漂浮于水可以知道，冰的密度是绝对没有液态状的水大的。由此可以知道，液态水是水的三种形态下密度最大的存在。
0℃水结成冰时，全部分子缔合在一起成为从而形成一个巨大的群体。在冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子相连接而成四面体，每个氢原子与两个氧原子相连结。即氧原子的四个键(两个共价键，两个氢键)，指向一个四面体的四个顶点，每个水分子都被四个水分子所包围，如图所示。
因此，冰是一种很不紧凑的结构，内部具有相当大的空。当冰熔解时，一些氢键被破坏，四面体结构被瓦解，水分子可以比较紧密地堆积在一起，因此，冰在熔解时体积要缩小。
冰是浮于水面之上的，为什么呢？
原来，当水为固态(冰)时，分子间的相互作用力会使分子按一定的规则排列，分子之间会形成结晶四面体。这种排列方式可以看做类似支撑作用，会占据空间，比较松散，密度自然就没有液态水大，漂浮于水面之上也在情理之中。
4℃时
在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：
一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小。
另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。
在1大气压（101.325千帕）下，水温低于4℃前，后一种效应占优势；而水温高于4℃后，前一种效应占优势。根据推算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。当温度逐渐升高时，这些冰晶体逐渐被破坏，引起了体积的减小，致使密度增大，所以水在4℃密度最大。
在4℃时水的密度最大，而不是在0℃？
把一定质量的水从0℃加热到10℃，水的体积是先减小后增大的，4℃是转折点，此时体积最小，密度最大。通过进一步研究发现，水的热胀冷缩是反常的，水在低于4度时表现热缩冷胀，导致密度下降。而在大于4度时，则恢复热胀冷缩。这是水最重要也是最奇特的特性之一。保证了地球生命的延续。想想地球冰河时期，如果冰都是下沉，那暴露在低温空气中的水会一直结冰，到时整个海洋和地球就真的冰封了。
水的这种奇异特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘里的水结冰时，总是从水面开始的。也就是说首先是水面的水温降到0℃，下面的水温则高于0℃，从上向下温度逐渐升高，水底温度在4℃左右；密度则逐渐增大，水底密度最大。正因为水的这种奇异特性，才出现“人在冰上走，鱼在冰下游”的自然景象。
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。
当水温到0℃结冰时，密度最小。水的这种特性也会给人们的日常生活造成一些损失，例如：水结冰时体积膨胀所产生的力量，足以把水管、水泥制件等撑破。平时一瓶矿泉水放在冰箱里，结成冰时体积会增大就是现成的例子。当然，也能给人类带来好处，特别是在保护鱼类和其他水中生物方面。
冰封湖泊，凿洞钓鱼
正因为液态水在4℃时，密度最大。温度高于4℃时，水的密度是随着温度的降低而增大，但是在0～4℃的温度范围内，水的密度却随着温度的降低而减小，直至冰点。正是这个特性使得4℃的水下沉，隆冬时节水体从表面至底部形成由低到高的温度梯度，抑制了水的对流，才有冰封湖泊凿洞钓鱼的景象。这表明湖面表层结冰，但冰层之下却是液态的水，而且湖泊的底部的水温还能稳定在4℃，致使鱼类等水生生物得以生存，安度严寒。
4℃的水与“千克”(公斤)
1799年12月，人们用一立方分米4℃水的质量确立了“千克”(公斤)这一重量单位。之所以选择4℃，是因在水在这一温度时具有最大的密度。
水的"热缩冷胀"特性的重要意义
在冬天的冰面以下，4℃的水密度大，会沉在下层，而温度更低的水因为密度更小，会浮在更贴近冰面的位置。这阻碍了水的上下对流，导致冰面不能快速向下生长。水中的生物特别是鱼类也因此得以在冬天生存下来。
水的密度与水体分层
综合本文上述"水在4℃密度最大"的特点，根据水的这个密度特性，表明在一个整体的水体中，它的密度可能是不一致的，即密度差，因为表层水和底层水的温度在大多数情况下是有差异的，最终导致水体(水温)分层。
水体(水温)分层的现象与水产养殖密切相关。在冬天，当温度低于4℃时，水面的温度比较低，再向下层水体时，水的温度逐渐增加，然后到4℃，所以，冬天的鱼儿多在水体下层活动，以抵御寒冷。正因为水温在4℃时密度最大，上层水的密度一般都很小，密度大的沉在下面，因此，在夏天避暑和冬天防寒时将水体尽量加深水位是有益的。
当然，水产养殖上的"水体(水温)分层"不是以4℃为界限，而是以上述"密度差"的原理来探寻水与鱼类的相互关系。高温季节的水温分层犹为明显，上、下层水温的温差较大，同时，水体中的溶氧水平在昼夜间变化也较大，晚上受暖湿气流的影响，夜间水体上层水温随着气温的下降而逐渐下降，但密度同时也增大，从而产生密度流即上、下层水体对流，随着时间的推移，就会拉大养殖水体上、下层水温的差异，一旦达到了临界点就会产生水温分层，中、下层水体溶氧慢慢补充，而上层水溶氧则逐渐下降，一般到凌晨时会降到最低水平，加上因夜间基本上没有自然补氧来源，底层水体溶氧则更加欠缺，因而凌晨或早上最易形成缺氧状况。
因此，水产养殖要尽量的打破水温分层的形成，处理的办法就是破坏水温分层，采用一些机械设备，如增氧机、微孔暴气等，当然，遇有风浪时水温分层就会自然而然地消失了。因此，养鱼户应该掌握水的密度特性和水温分层的规律，从而确保渔业生产顺利进行。
