在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，反之亦然。也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。然而水在由0℃温度升高时，出现了一种特殊的现象。人们通过实验得到了ρ－t曲线，即水的密度随温度变化的曲线。在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。水在0℃至4℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。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。

常温液态

在水中，常温下有大约50%的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。

多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成立体形点阵结构（属六方晶系）。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有——4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大。

固态

在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合水分子的形状。此时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小。

0℃冰水混合物

将冰熔化成水，缔合水分子中的一些氢键断裂，冰的晶体消失。0℃的水与0℃的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0℃的水比0℃的冰密度大。用伦琴射线照射0℃的水，发现只有15%的氢键断裂，水中仍然存在有约85%的微小冰晶体（即大的缔合水分子）。

0~4℃液态

若继续加热0℃的水，随着水温度的升高，大的缔合水分子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢键的影响较小，可以任意排列和运动，不必形成“镂空”结构，而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。在水温升高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。考虑水密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。

大于4℃液态

水温超过4℃时，同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂、水分子运动速度加快这两个因素，综合分析它们对水密度的影响。由于在水温比较高的时候，水中缔合数大的缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。

在4℃时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大，水的体积最小。

我们知道，如果物体所受外界压力不变，大多数物体的体积都随温度的升高而增大，即热胀冷缩.与大多数物质的性质相反，在 0到4℃的温度范围内，水的体积却随温度的升高而减小，这就是说，水在0到4℃之间是冷胀热缩.水的这一反常性质，对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义.。

当寒冷的冬天来临后，随着气温的降低，江河湖泊中的水温也随之下降.考虑某一湖泊，设其全部湖水处于某一温度如10℃，再设湖面上空气的温度为-10℃，于是湖表面的水就会变冷，比如说温度降到9℃，这部分水因变冷而收缩，其密度比底下较暖的水为大，因而沉入下面密度较小的水中，下面的 10℃的水上升.冷水的下沉引起一个混合过程，此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4℃为止.但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温，表面水的温度进一步降低，又比如降到3℃，这部分水的体积不但不缩小反而膨胀，即表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉.对流和混合此时都停止了（当然扩散不会停止），表面下的水基本上靠热传导散失内能.水是热的不良导体，这样散热是比较慢的.表面水的温度，先于下面的水降至0℃、开始结冰. 冰的密度比水小，所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水，从上到下温度为0到4℃，从上到下逐渐结冰.由于通过热传导而向上散热，比较慢,并且有地热由底下向上传导，因此冻结的速度是缓慢的.若湖泊的水很深，湖水是不会被冻透的，湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4℃的水中安然过冬，免遭冻死的厄运.。

如果水的性质也像其它大多数物质那样，在全部温度范围内都是热胀冷缩的，那么温度较高的水不断升到水面，向空气散热，湖泊中水的冻结就会从底部开始，从而容易导致湖泊中的水全部冻结.这样一来，就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命。

锑，铋，镓都是冷胀热缩的物质，常用于制作合金以减小温度对精密仪器的影响。

硫化镍也是冷胀热缩的物质，常常会致使钢化玻璃自爆。