一般情况下，固体温度升高时体积确实会膨胀，这主要因为分子热运动加剧。当固体受热，内部原子或分子的平均动能增加，原子间振动幅度增大，导致分子间距扩大。这种微观层面的运动变化宏观上就表现为体积膨胀，也就是我们常说的热胀冷缩现象。
为什么固体温度升高体积会膨胀？
不过水在0℃到4℃之间却表现出反常膨胀特性。通过密度实验发现，水温从0℃升到4℃时密度逐渐增大，超过4℃后密度反而减小。这种特殊现象源于水分子间的氢键作用：低温时水分子通过氢键形成有序的立体缔合结构，这种结构体积较大但密度较低，就像冰能浮在水面上一样。
温度超过4℃后，水分子的热运动速度加快成为主导因素。此时缔合结构大多已经分解，分子间距主要受热运动影响。就像普通固体那样，水温继续升高时分子运动剧烈程度超过分子排列紧密程度的影响，宏观上就呈现出常规的热胀冷缩现象，密度随温度升高而降低。
缔合水分子的结构直接影响水的密度。常温下水里约50%的单个水分子会组合成双分子缔合结构，而更高温度下缔合数减少。当温度升高时，缔合水分子逐渐瓦解为更小的组合或单个分子，这些小分子可以更紧密地填充空间。但在0-4℃阶段，缔合结构断裂带来的体积收缩效应超过了热运动导致的膨胀作用。
冰融化成水时体积缩小的现象也印证了缔合结构的作用。0℃的冰中存在大量六方晶系的缔合水分子，结构松散空隙多。融化后约15%氢键断裂，缔合结构部分解体，分子间距缩小约9%，所以同等质量的冰体积比水大。这种相变过程直观展示了分子排列方式对物质密度的关键影响。