在一般情况下，物体总是热胀冷缩的，可是水却有例外，水在0°C到4°C时反而热缩冷胀。
因为低温液态水中含有冰晶，而冰晶又有特殊的晶体结构。在冰晶中，4个水分子组成1个三角锥体，这种排列方式比较松散，体积较大，因此冰晶体比水的密度小，用X射线研究发现：在低温液态水中确实残留着非常微小的冰晶体。在0°C到4°C之间，随着温度的升高，这些冰晶体逐渐融化，所以使含有冰晶的水的体积逐渐缩小，虽然小也随着温度的升高而膨胀，但这种作用较小，所以水在0°C到4°C之间，随着温度的升高总的趋势是体积缩小。反之，当温度降低时，体积就会膨胀。
当气温降低时，江河湖泊等水域，跟冷空气直接接触的水面散热较快。当水的温度在4°C以上时，由于热胀冷缩的关系，表面上温度较低的水，体积缩小，密度变大，就要不断下沉；底部温度较高的水总要不断上升，形成对流现象。这样一来，原来上面较冷，下面较热的水就会达到温度均匀了。如果气温继续下降，表面的水冷却到4°C以下时，就变成热缩冷胀，密度变小，停留在上面，不再下降，最后结成冰。冰层不善于导热，所以下面的水不易冷却。这样，深一点的水域不会一直冻到底，底冰的水可保持在4°C。上面的冰层像一条厚厚的“冰被”，使水下的鱼虾安全过冬。