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、植物的生存都离不沸水，水是生命之源。人们把水的融化点作为记录体温的零点，并把水的沸点定为100℃，即把水的相变点作为自然所有物质体温的标尺。
通常来说，大多数物体都有热胀冷缩的性质，气温越高，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，容积最小。低于4℃或高于4℃时，容积就会膨胀。此类现象被称为“反常膨胀现象”。
我们晓得，物质基本上都是热胀冷缩的特点，遭到加热，粒子之间运动推进，粒子之间间隙加强，表现密度增大。而高温下恰恰相反，粒子之间运动减少，表现间隙增大，反之密度加强。但这显然不能解释水的这些现象，为什么高温状态下的冰密度会比水小，在这儿倘若仍用"热胀冷缩"就说不通了。并且，依照现有研究表明，在液态水形态下，它的密度在超热水状态或则趋向零度时居然不是最大，而是在4℃时密度最大，这也不适用于热胀冷缩的说法。
现今来谈谈为什么4℃时水的密度才是最大的？
通过观测发觉，在高于4℃条件下的水，虽然没有结冰，早就在水底产生肉眼不可见的冰晶体，这种冰晶体恰恰造成水的密度变大的诱因。而气温抵达4℃时才会充分熔化这种不可察觉的冰晶体，这个时侯才会称为完全液态水，密度自然最大。超过4℃，水份子的运动有推进趋势，分子间隙也开始加强，密度也会逐步加强。所以4℃时是水密度最大的时侯。
水的三种方式：固态，液态，气态
水的密度肯定也应当是会变化的，假如不会变化，那水的三种方式即固态，液态，气态就不存在。事实上气态是水密度最小的时侯，只有这样才能上升天空，产生云。而固态是水密度第二小的形态，由产生的冰悬浮于水可以晓得，冰的密度是绝对没有液态状的水大的。由此可以晓得盐水的密度和水的密度谁大，液态水是水的三种形态下密度最大的存在。
0℃时
0℃水缔结冰时，全部分子缔合在一起成为因而产生一个巨大的群体。在冰的结构中，每位氧原子与4个氢原子相联接而成多面体，每位氢原子与两个氧原子相联结。即氧原子的四个键(两个共价键，两个官能团)，指向一个多面体的四个顶点，每位水份子都被四个水份子所包围，如图所示。
因而，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，一些官能团被破坏，多面体结构被击溃，水份子可以比较紧密地堆积在一起，因而，冰在熔解时容积要缩小。
冰是浮于海面之上的，为何呢？
原先，当水为固态(冰)时，分子间的互相斥力会使分子按一定的规则排列，分子之间会产生结晶多面体。这些排列方法可以看做类似支撑作用，会抢占空间，比较松散，密度自然就没有液态水大，悬浮于海面之上也在情理之中。
4℃时
在室温4℃上下，水底有两种使密度发生改变的效应：
一是因为气温下降，液态水的分子热运动激化，分子间的平均距离减小，使得水的密度降低。
另一种是因为气温下降，水底所富含的冰晶体渐渐熔解，分子间的平均距离减少，使得密度减小。
在1大气压（101.325千帕）下，温度高于4℃前，后一种效应占优势；而温度低于4℃后，前一种效应占优势。依据推测，在接近0℃的水底大概有0.6%的冰晶体。当气温逐步下降时，这种冰晶体渐渐被破坏，导致了容积的减少，导致密度减小，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℃，水的容积是先降低后减小的，4℃是转折点，此时容积最小，密度最大。通过进一步研究发觉，水的热胀冷缩是反常的，水在高于4度时表现热缩冷胀，致使密度升高。而在小于4度时，则恢复热胀冷缩。这是水最重要也是最独特的特点之一。保证了地球生命的延续。想想月球冰河时期，假如冰都是下沉，那曝露在高温空气中的水会仍然结冰，到时整个海洋和月球就真的冰封了。
水的这些奇特特点很容易在自然界中见到，如冬海珠塘里的水结冰时，总是从海面开始的。也就是说首先是海面的温度降到0℃，下边的温度则低于0℃，从上向上气温渐渐下降，水中体温在4℃左右；密度则渐渐减小，水中密度最大。正由于水的这些奇特特点，才出现“人在冰上走，鱼在冰下游”的自然景色。
河流里水的表面，当春季温度升高时，若温度在4℃以上时，下层的水冷却，容积缩小，密度变大，于是下沉到顶部，而上层的暖水就升到下层来。
当温度到0℃结冰时，密度最小。水的这些特点也会给人们的日常生活导致一些损失，比如：水结冰时容积膨胀所形成的力量，足以把水管、水泥基体等撑破。平常一瓶矿泉水放到冰柜里，缔结冰时容积会减小就是现成的反例。其实，也能给人类带来益处，非常是在保护鸟类和其他水底生物方面。
冰封河流，凿洞垂钓
正由于液态水在4℃时，密度最大。气温低于4℃时，水的密度是随着气温的增加而减小，并且在0～4℃的气温范围内，水的密度却随着气温的增加而减少，直到冰点。正是这个特点致使4℃的水下沉，寒冬时节水体从表面至顶部产生由低到高的水温梯度，抑制了水的对流，才有冰封湖泊凿洞垂钓的景色。这表明海面表层结冰，但冰盖之下却是液态的水，但是河流的顶部的温度能够稳定在4℃，使得鸟类等水生生物得以生存，安度寒冬。
4℃的水与“千克”(公斤)
1799年12月，人们用一立方厘米4℃水的质量确立了“千克”(公斤)这一重量单位。之所以选择4℃，是因在水在这一气温时具有最大的密度。
水的"热缩冷胀"特点的重要意义
在冬天的冰层以下，4℃的水密度大，会沉在上层，而气温更低的水由于密度更小，会浮在更紧贴湖面的位置。这妨碍了水的上下对流，致使湖面不能快速向上生长。水底的生物非常是鸟类也因而得以在冬天生存出来。
水的密度与底泥分层
综合本文上述"水在4℃密度最大"的特征，按照水的这个密度特点，表明在一个整体的底泥中，它的密度可能是不一致的盐水的密度和水的密度谁大，即密度差，由于表层水和底层水的气温在大多数情况下是有差别的，最终造成底泥(温度)分层。
底泥(温度)分层的现象与水产种植密切相关。在冬天，当气温高于4℃时，湖面的气温比较低，再向上层底泥时，水的气温逐步降低，之后到4℃，所以，冬天的鱼儿多在底泥上层活动，以抵挡严寒。正由于温度在4℃时密度最大，下层水的密度通常都很小，密度大的沉在下边，为此，在夏季消暑和冬天御寒时将底泥尽量加深水位是有益的。
其实，水产种植上的"底泥(温度)分层"不是以4℃为界限，而是以上述"密度差"的原理来找寻水与鸟类的互相关系。低温季节的温度分层犹为显著，上、下层温度的温差较大，同时，底泥中的溶氧水平在昼夜间变化也较大，白天受暖寒气流的影响，夜晚底泥下层温度随着温度的升高而日渐增长，但密度同时也减小，进而形成密度流即上、下层底泥对流，随着时间的推移，还会拉大种植底泥上、下层温度的差别，一旦达到了临界点都会形成温度分层，中、下层底泥溶氧渐渐补充，而下层水溶氧则逐步增长，通常到中午时会降到最低水平，加上因夜晚基本上没有自然补氧来源，底层底泥溶氧则愈发缺乏，因此中午或下午最易产生缺氧状况。
为此，水产种植要尽量的打破温度分层的产生，处理的办法就是破坏温度分层，采用一些机械设备，如增氧机、微孔暴气等，其实，遇有风浪时温度分层都会自然而然地消失了。为此，养鸡户应当把握水的密度特点和温度分层的规律，进而确保渔业生产顺利进行。
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