正常情况下，物质热胀冷缩，用物理解释也就是温度越高，分子热运动加剧，分子间间隙加大，其密度越小。例如，在超低温-196℃以下，氮能在常压下呈现为液态（也就是液氮）。而在常温下，液氮又会快速气化。

我们知道冰的密度比水小，会浮在水上面，这现象与热胀冷缩相冲突。

更特别的是，水在4℃时的密度最大，在大于4℃时，水的密度随着温度降低而增加，但在0至4摄氏度范围内，水温下降时密度反而减少，这种独特的物理现象，被称为“反常膨胀”。

研究表明，在冰的晶体中，由于氢键有方向性和饱和性，迫使在四面体中心的每个水分顶角方向的4个相邻水分子形成氢键，从而使得水分子的空隙变大，其密度相应变小。

同时，相邻的水分子可以有多种组合，形成多种状态的冰晶，这就是雪花有多种类型的原因。

当冰刚融化为液态时，热运动使冰结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度增大。

超过4 ℃后，由于分子热运动加剧，间隙加大，密度减小。

水的这特性对于生命的存续有着重要意义。

低温时，水表面先结冰，隔绝了冷空气，保持底层水相对较高温度，不易结冰，从而为水下生物提供了生存的环境。

假设冰的密度比液态水的大，地球上的所有水体在冬天结冰时，把所有水生生物冻死。

值得一提的是，由于海水中含有无机盐，盐度一般为3.5%，导致其凝固点低于淡水，一般在-2.5℃左右，且盐度越高，海水的凝固点就越低。

日常生活中，0-4℃是较理想的冷藏温度，这个温度水分子结构比较稳定，既保持液态又展现出一定的固态特征。该低温能抑制大多数微生物的生长和繁殖，又不至于形成冰晶，能保持食物的新鲜度和口感。