Le molecole d'acqua formano legami idrogeno tra loro, creando una struttura poco compattata. All’aumentare della temperatura, l’energia cinetica delle molecole d’acqua aumenta, facendole muovere più velocemente e rompendo alcuni legami idrogeno. Ciò riduce la densità dell'acqua, provocandone l'espansione. Tuttavia, questa tendenza continua finché l’acqua non raggiunge il suo punto di densità massima intorno ai 4 gradi Celsius.
Oltre i 4 gradi Celsius, il continuo aumento della temperatura fa sì che le molecole d’acqua si muovano ancora più velocemente, rompendo più legami idrogeno e consentendo all’acqua di espandersi nuovamente. Questa espansione è più pronunciata a temperature più elevate.
Pertanto, l'acqua non si espande specificamente a 4 gradi Celsius; invece, a quel punto raggiunge la sua densità massima e inizia ad espandersi man mano che le temperature aumentano ulteriormente.
