一般來說，同種物質溫度越高密度越小，遵從熱脹冷縮的規律。那是因為，物體内的粒子（原子）運動會受到溫度的影響。當溫度上升時，粒子運動變得劇烈，物體體積就會變大；當溫度下降時，粒子運動變得緩慢，物體體積就會縮小。但是，水就很特别。當水溫低于4度時，溫度越低，水的體積越大。
科學研究表明：水溫在4攝氏度時，水的密度最大。溫度高于4攝氏度時，随着溫度的升高，密度越來越小；溫度低于4攝氏度時，随着溫度的降低，密度越來越小。水凝固成冰時，體積變大，密度變小。人們把水的這個特性叫做水的反常膨脹。
水的這個反常膨脹特性害苦了北方的自來水管和暖氣水管。北方的冬天，天氣寒冷。有的地方更是滴水成冰。北方的水管都要做保溫處理，一般都埋入地下，有的還會和暖氣管道挨在一起。為的就是不讓水管凍了。如果保護不好，會使水管内的水結成冰。後果就比較嚴重了：冰的密度比水小，所以水凍成冰後體積增大。加之，水管遵循熱脹冷縮的規律，遇冷後水管體積會減小。這一增一減，水管很快就脹裂了。
另一方面，水的這一反常膨脹現象，卻能讓湖底的魚兒安全過冬。一陣寒風襲來，湖面很快結了冰，将湖水和冷空氣分隔開來。冰層不斷将低溫向冰層下的水傳導，但是4度的水的密度最大，它始終處在水的最下層。1度、2度、3度的水，其密度比4度水的密度要小，所以一直浮在4度水的上面。寒冷的冰層要延伸到湖底也是不容易。一是有1、2、3度水的隔離作用；二是水遇冷成冰時，會釋放熱量到水中；三是太陽光也能到達冰層下面的液态水中。比如，世界冰層最厚的貝加爾湖的冰層，也就是2米。這樣冬季北方湖泊的冰層下，就始終會有4度左右的不會結冰的水，魚兒也就能生存下去了。
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