Вода обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения в интервале температур от 0 °C до 4 °C. 25 Это связано с изменением длины водородных связей между молекулами воды. 2

В жидком состоянии молекулы объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук. 2 С ростом температуры длина водородных связей увеличивается, что приводит к расширению объёма вещества. 2 Однако в указанном диапазоне размер кластеров уменьшается: они состоят не из пяти, а из трёх частиц. 2 В результате размер отдельных элементов системы сокращается, и они плотнее прилегают друг к другу. 2

Кроме того, при замерзании молекулы воды выстраиваются в кристаллическую структуру, которая менее плотная. 4 Поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объём увеличивается, и вода «расширяется». 4