對，熱脹冷縮會導致水的密度發生一定的變化。我們可以先把水放在分子的視野角度來看。

分子在溫度較高的情況下因為熱能也想對較高的原因，布朗運動（無規律自由運動）會更加的劇烈。在他們不斷劇烈運動的情況下，需要的空間也就更大一些，這就有點像操場上運動的同學們，因為運動的關係需要的空間也比較大。可能一個操場只能放下三四個班的同學同時上體育課，但這操場的面積卻相當於十幾個教室，而這十幾個教室卻能放下十幾個班。這是一個道理。

但是水和其它物質還是有一定不同的。

這個不同的原因就在於水裡面不僅有其他分子間都會存在的範德華力，它還多出一種叫“氫鍵”的分子間作用力，也是因為氫原子的特殊性。其他物質在凝結成固體後會變為最小的體積狀態，而水卻因為氫鍵的原因，冰的體積反而會異常增大，是因為氫鍵在水成冰後重新組鍵，就像同學手張開拉到一起一樣。

水的體積密度最大的是在4℃的時候，也是因為氫鍵的原因，氫鍵的能量相對範德華力（也就是一般的分子間作用力）要高出不少，但和分子內部的作用力相比還是弱的多。所以4℃以上因為布朗運動加大的原因，氫鍵能力就沒那麼強了，然後4℃以下布朗運動減少，氫鍵開始發揮作用，體積增大，到結冰的時候最大。

這也就是為什麼冬天的時候明明河都結了那麼厚的冰，裡面的魚還能活的好好的。

然後以上說的是純水，在自然狀態下，因為水中含有組織的不同，凝結點也會不同，例如啤酒，白酒不易結冰，就是因為裡面的其他物質。

熱水在上冷水在下，當然是因為熱水和冷水的密度不同。一般物體都有熱脹冷縮的性質，質量一定，受熱膨脹時，密度減小，反之亦然。但水在0~4℃之間反常膨脹，即熱縮冷脹。所以，水在4℃時密度最大。因為最初規定1L純水在4℃時的質量為1kg，所以，水的最大密度為1.0×10³kg/m³。

這樣，在4℃以上，溫度高的水如果在下部，由於受到的浮力大於重力就要上升，周圍的水就流過來填補，上部溫度低的水就下降，於是，形成對流，加快了熱量在水中的傳遞，所以，燒水時要在下部加熱。當水的溫度降低到4℃時，密度最大，受到的浮力小於重力下降到水底。在較深的湖泊中，溫度接著降低到0℃時，從上到下，水的溫度從0℃到4℃依次升高，當溫度低於0℃，比如氣溫為-20℃時，水面結出厚厚的冰，冰的上表面溫度為-20℃，下表面溫度為0℃，與冰接觸的水的溫度為0℃，而水底的溫度仍是4℃。對水中生物的安全越冬，有著十分重要的意義。