水是所有固体和液体中热容量最大的物质之一，可以吸收相当多的热量而不破坏其稳定性。也就是说，将水加热到一定温度，比其他同等重量的物质加热到相同温度需要更多的热量。
当水变成蒸汽或冰融化成水时，它吸收热量。相反，水蒸气凝结和水冻结都放出热量，吸收或放出的热量是相等的。这种吸收或释放的热量称为水的潜热。水在0℃时直接蒸发，潜热为2500j/g；在100℃时，汽化潜热为2257焦耳/克；在0℃时，熔化潜热为1401焦耳/克；冰直接升华的潜热为1401+2500 = 3901J/g，冰融化和水蒸发的潜热比其他液体大，与水分子的结构有关。因为热不仅用来克服分子力，还需要用来分解双分子(H2O)2和三分子(H2O)3的聚合物。
水的热容量和潜热特性对整个地球的热量变化起着重要的调节作用，这样冬天就不会太冷，夏天就不会太热。
