水的反常膨胀

水从0℃升高到4℃，其体积不但不增大，反而缩小。

物体的体积由其内部分子的平均间距决定，对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。在水温升高的过程中，一方面，大的缔合水分子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。因此，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的密集程度逐渐加大，水的体积也随之减小。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，体积增大。水的体积由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。

综合考虑两种因素的影响，在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子减弱引起水体积变小的作用，比由分子热运动速度加快引起水体积变大的作用更大，所以在这个过程中，水的体积随温度的升高而减小，即为反常膨胀。   

为什么湖水从表面开始结冰？

冬天气温下降，上层湖水的温度随着降低，而湖底的水温度较高。水温高于4℃时，由于热胀冷缩，湖面温度低的水密度较大，要下沉，湖底温度高的水密度较小，要上升，因而形成对流，使全部湖水不断冷却。

因为水的温度在0~4℃之间反常膨胀，即热缩冷胀的缘故。所以当气温继续下降，上层湖水的温度降到4℃以下时，体积膨胀，密度减小，不再下沉，不能形成对流，湖底水的温度能长时间保持在4℃。

当上层湖水温度降到0℃，并继续放热时，湖面开始结了层薄冰。由于冰的密度比水小，所以冰会浮在水面上。由于水和冰是热的不良导体，光滑明亮的冰面又能防止辐射，因此比冰下的水放热极为缓慢，需要很长的时间温度才能降到0℃并结成厚厚的冰。俗语说的“冰冻三尺非一日之寒”就是这个道理。