通常物體都是熱脹冷縮，但是水在0℃～4℃之間是熱縮冷脹的，人們把這種現象叫做反常膨脹。設想把一定質量的水從0℃加熱到10℃，水的體積是先減小後增大的，4℃是轉折點，此時體積最小，密度最大。

在溫度較低時，水中不完全是液態，還有一些微小的冰晶體。在冰晶體中，每個分子以一定的規律排列在晶體點陣內，每個分子都被四個分子所包圍，四個分子在空間構成一個四面體。而液態水中的分子，排列比較雜亂，不像冰晶體中的分子那樣規則排列。雖然這些水分子在液態水中運動比在冰晶體中更自由些，但是分子間的平均距離卻比在冰中小，所以液態水的密度比固態水的密度大。科學家用X射線研究接近0℃的水的結構時，證實在液態水中存在著非常小的冰晶體。根據推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的這種冰晶體。當溫度逐漸升高時，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大。在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發生改變的效應：一是由於溫度升高，液態水的分子熱運動加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小；另一種是由於溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低於4℃前，後一種效應占優勢；而水溫高於4℃後，前一種效應占優勢。設想一定質量的水，溫度從0℃逐漸升高到5℃，根據上面的分析，水的體積將先減小後增大，密度則先增大後減小，在4℃時體積最小，密度最大。實際上，溫度越過4℃以後，冰晶體會越來越少，直至消失，水就進入正常膨脹狀態了。參考資料江丕桓 .物理.北京：中國科學出版社，1954年