水升溫之後，水分子的大小雖然沒有改變，但是水分子與水分子之間的距離變大了，這個就導致相同數目的水分子，它們的總體積增大了（相當於做操人數沒有變，但是如果人與人之間的距離變大了，整個所佔位置就大了），體積增大了，但是水的質量沒有改變，密度等於水的質量除以體積，質量不變，體積增大，所以密度減小

熱脹冷縮，就是溫度升高時膨脹，溫度降低時收縮，對於一定質量的物體，膨脹就是體積增大，收縮就是體積減小，所以，熱脹冷縮就意味著加熱密度減小冷卻密度增大，沒有例外。

在此，題主專門問到水，應該是考慮到水的反常膨脹，即0～4℃之間熱縮冷脹。這樣，水在0～4℃之間加熱密度增大，4℃以上加熱密度減小。所以，水在4℃時密度最大。最初規定規定4℃時1L純水的質量為1kg，所以，4℃時水的密度是1.0×10³kg/m³，是水的最大密度。

這種現象對水中生物的越冬有十分重要的意義，當氣溫降低時，湖面上水的溫度隨著降低，在4℃以上時，由於熱脹冷縮，湖面上水的密度增大，就要下沉，下部密度較小的水就要上升，於是形成對流，使上下水的溫度很快達到一致。當湖面上水的溫度低於4℃時，由於熱縮冷脹，水的密度減小，小於下部水的密度，上部的水不能下沉，下部的水也不能上升，對流不能發生，下部的水只能靠傳導和輻射向上傳熱，水是熱的不良導體，傳導熱很慢，熱輻射在水中進行的也比較微弱，致使湖水錶面結了冰，而湖底的水還能保持在4℃，為水中生物提供安全可靠的越冬環境。