一般来说，大多数物体都有热胀冷缩的性质，4摄氏度水的密度最大原理，温度越高，物质的密度越小。但水却是一个例外，热胀冷也胀，只有在4℃时候，体积最小。高于4℃或低于4℃时，体积都会膨胀。这种现象被称为“反常膨胀现象”。
科学家用X射线研究接近0℃水的结构时，证实在液态水中存在着非常小的冰晶体，这些微小的冰晶具有像普通冰一样的结晶学上的结构。根据推算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。当温度逐渐升高时，这些冰晶体逐渐被破坏，引起了体积的减小，致使密度增大。
因为当水的温度升高到4℃时，水分子多以双分子缔合水分子的形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。用水的缔合作用来解释：接近沸点的水，主要是以简单分子的状态存在的。冷却时由于温度降低，分子热运动减小，使。
而在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小；另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。在1大气压（101.325千帕）下，水温低于4℃前，后一种效应占优势；而水温高于4℃后，前一种效应占优势。所以水在4℃密度最大。
简单的说，是因为水有缔合性 复杂点来说，水在4℃时密度最大，是由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的。根据近代X射线的研究，证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的，是一个敞开式的松弛结构。
水的这种特性给人们的日常生活造成一些损失，例如水结冰时体积膨胀所产生的力量，足以把水管、水泥制件等撑破。当然，也能给人类带来好处，特别是在保护鱼类和其他水中生物方面。
这多半是由于水的一些怪脾气决定的。比如，水在4摄氏度时密度最大，再冷，反而体积膨胀起来，所以冰比水轻，浮在水面；冰不善于传热，才不会一冻到底，保证水下生物安全过冬；水容热的能耐很大，是铁的10倍、沙的5倍。
▌本文来源：科普中国
