一般物質由於溫度影響,其體積為熱脹冷縮.但也有少數熱縮冷脹的物質,如水、銻、鉍、液態鐵等,在某種條件下恰好與上面的情況相反.實驗證明,對0℃的水加熱到4℃時,其體積不但不增大,反而縮小.當水的溫度高於4℃時,它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹.因此,水在4℃時的體積最小,密度最大.湖泊裡水的表面,當冬季氣溫下降時,若水溫在4℃以上時,上層的水冷卻,體積縮小,密度變大,於是下沉到底部,而下層的暖水就升到上層來.這樣,上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置,整個的水溫逐漸降低.這種熱的對流現象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止.當水溫降到4℃以下時,上層的水反而膨脹,密度減小,於是冷水層停留在上面繼續冷卻,一直到溫度下降到0℃時,上面的冷水層結成了冰為止.以上階段熱的交換主要形式是對流.當冰封水面之後,水的冷卻就完全依靠水的熱傳導方式來進行熱傳遞.由於水的導熱效能很差,因此湖底的水溫仍保持在4℃左右.這種水的反常膨脹特性,保證了水中的動植物,能在寒冷季節內生存下來.這裡還應注意到,冰在冷卻時與一般物質相同,也是縮小的.受熱則膨脹,只有在0℃到4℃的範圍內的水才顯示出反常膨脹的現象來.