這個事情需要從冰談起，在一個標準大氣壓下（下同），0℃時，水這種物質有3種形態：冰、冰水混合物、液態水，給0℃的冰持續提供能量，可以變為0℃的冰水混合物，並最終變為0℃的水，如果繼續提供能量，水的溫度會升高。此外，水分子之間相互存在著一種叫做“氫鍵”的相互作用，它具有方向性，使得水分子的排列具有一定的距離和相對方位。

當水結成冰以後，水分子之間相互以氫鍵相連，形成冰晶格。由於氫鍵具有方向性，水分子之間排列地很“規矩”，就像大家體育課的熱身操一樣，需要保持至少兩臂的距離，否則做熱身操會打到對方，相互之間有著很大的空隙（如下圖），導致了（相同質量）冰的體積更大。

冰的熔化熱為6.02kJ/mol[1]，氫鍵的鍵能（即斷裂1mol氫鍵所需要的能量）為18.8kJ/mol[2]，斷裂冰中氫鍵所需要的能量是熔化冰所需能量的3倍還多，說明0℃的水中存在大量的氫鍵。這些氫鍵使得水分子抱團，但是各個集團之間可以相互跑動，類似熱身操結束，大家開始小組遊戲，小組內依然保持合適的距離，但不同小組玩的遊戲不同，小組之間沒有距離限制，可以離的近一些，於是體積縮小。

繼續注入能量，水開始升溫，抱團的水分子之間的氫鍵也開始斷裂，就像分為更小的小組，於是體積進一步減小。但是溫度升高，水分子的熱運動也加劇，類似天氣很熱，大家不想扎堆，這種因素帶來體積的增大。熱運動加劇和氫鍵進一步斷裂兩種影響相互競爭，在4℃時候兩種影響達到平衡：4℃以下，氫鍵影響更大，熱縮冷脹；4℃以上，熱運動影響更大，熱脹冷縮。

一般的物體遇熱膨脹、遇冷收縮，這種現象被叫做熱脹冷縮。水在0℃~4℃時出現熱縮冷脹的現象，這種現象被叫做反常膨脹。標準大氣壓下0℃時，水和冰可以共存。

存在熱縮冷脹現象的物質比較少，有水、銻、鉍、液態鐵等，一般都只在一定溫度範圍下才會呈現。水的反常膨脹現象可以用氫鍵及締合水分子理論予以解釋。水在0℃到4℃時才會發生反常膨脹現象。因為水在4℃以上時，它的體積才會發生膨脹，因此在4℃時水的密度最大。這裡要注意，冰在冷卻時與一般物質相同，體積也會縮小。

在一定大氣壓下，一定質量的物質，體積隨密度的變大而縮小。物質的密度由物質內分子的平均間距決定，分子的平均間距與分子熱運動的劇烈程度有關，一般來說溫度越高，分子間距越大。水的密度除了與水分子的熱運動有關外，水分子的締合作用對水的密度也有影響。綜合考慮兩個因素的影響，便可以得知水的密度變化規律，也就是水的體積隨溫度的變化規律。

在水溫由0℃升至4℃的過程中，由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用，比由分子熱運動加快引起水密度減小的作用更大，所以在這個過程中，水的密度隨溫度的升高反而加大，體積亦因此收縮。值得注意的是，0℃的水比0℃的冰密度大。

淡水在0到4度時,會發生冷漲熱縮現象.水在4度時密度最大.在一般情況下，當物體的溫度升高時，物體的體積膨脹、密度減小，也就是通常所講的“熱脹冷縮”現象。然而水在由0℃溫度升高時，出現了一種特殊的現象。即水的密度隨溫度變化的曲線，在溫度由0℃上升到4℃的過程中，水的密度逐漸加大；溫度由4℃繼續上升的合過程中，水的密度逐漸減小；水在4℃時的密度最大。水在0℃至4℃的範圍內，呈現出“冷脹熱縮”的現象，稱為反常膨脹。至於零下4度,估計就只能結冰了.[ll］