為什麼水在4℃時密度最大，這一現象又有什麼意義呢？

我們身邊的物體，普遍都有熱脹冷縮的性質。在溫度降低時，構成物質的分子或原子會逐漸安定下來，彼此逐漸接近，這樣物質的體積就會變小，而密度會變大。

但並不是所有物質都會嚴格遵守這個規律，比如——水。在0-4℃時，水的體積會隨著溫度降低而增大，也就是「熱縮冷脹」，這是因為水分子之間存在著有方向性的氫鍵，當水分子在低溫下逐漸安定時，一些水分子會通過氫鍵，和其它四個水分子連接成類似冰的結構，這時水分子間的平均距離，反而比混亂時更遠。

隨著溫度的降低，越來越多的水分子趨向於形成這種有秩序的結構。最終在某一個臨界溫度，這種趨勢取代了原本的熱脹冷縮，主導了水在整體上的體積變化，而這個臨界溫度大約就是4℃。

水的這個特性，有一個很重要的意義。在冬天的冰面以下，4℃的水密度大，會沉在下層，而溫度更低的水因為密度更小會浮在更貼近冰面的位置，這阻礙了水的上下對流，導致冰面不能快速向下生長，水中的生物也因此得以在冬天生存下來。