Quando uma substância é aquecida, ou seja, quando ela recebe energia, suas moléculas ficam agitadas e se movimentam mais e com isso ocupam um maior volume. O oposto ocorre quando uma substância é resfriada, ela perde energia e suas moléculas quase não se movimentam ficando bem próximas umas das outras, ocupando menor volume. Isso faz com que, normalmente, a matéria no estado sólido ocupe menos volume do que quando está no estado líquido.

A água não se comporta termicamente como a maioria dos líquidos. Isto causa consequências muito importantes na natureza, em virtude da sua abundância em nosso planeta. Ao contrário do que acontece com a maioria das substâncias quando é aquecida, entre os intervalos de 0 e 4º C, ela sofre contração e depois começa a dilatar-se, ou seja, quando a água está em seu estado sólido, ela tem volume maior do que no estado líquido nesse intervalo de temperatura.

É por este motivo que, em alguns países onde o inverno é rigoroso, os lagos e rios se congelam apenas na superfície, enquanto que, no fundo, encontra-se a água de máxima densidade, isto é, água a 4ºC. Para explicar melhor, imagine que a temperatura do ar comece a cair. A água da superfície, em contato com o ar, esfria e fica mais densa que a água do fundo. Essa diferença de densidade provoca a movimentação da água: sobe água “quente” e desce água “fria”. No entanto, ao ser atingida a temperatura de 4ºC, essa movimentação cessa, pois, nessa temperatura, a água tem densidade máxima. Se o esfriamento continuar, a água da superfície fica menos densa que a água do fundo, não mais sendo possível a troca de posição. A água superficial pode chegar a congelar, mas a do fundo mantém-se líquida.  Este fato é fundamental para a preservação da fauna e flora destes lugares. Se a água não apresentasse esta irregularidade na dilatação, os rios e lagos se congelariam totalmente, causando danos irreparáveis as plantas e animais aquáticos.