Ca urmare a schimbărilor de temperatură, materia își modifică volumul. Acest concept este cunoscut sub numele de dilatare termică. Pe măsură ce o substanță se încălzește, particulele din materie se mișcă, devenind mai active pe măsură ce temperatura crește. Această activitate face ca particulele să aibă nevoie de spațiu suplimentar între ele, mărind dimensiunea unui material. Ecuația pentru a descrie acest concept este cunoscută sub numele de coeficient de dilatare termică și poate fi definită prin faptul că gradul de dilatare este împărțit la modificarea temperaturii dintr-un material.
Utilizarea anumitor materiale solide în construcții și inginerie este un rezultat direct al acestei expansiuni termice. Necesitatea ca obiectele să-și păstreze forma fără distorsiuni majore are ca rezultat practica obișnuită de a folosi metale și materiale plastice. De exemplu, un ciocan trebuie să-și păstreze forma pe măsură ce temperaturile cresc pentru a preveni deteriorarea. În timp ce acest principiu este în general valabil în funcție de tipul de material utilizat, anumite structuri, cum ar fi cristalele, pot avea diferiți coeficienți de dilatare termică în funcție de formă.
La fel și cu conceptul de dilatare termică negativă, condiții precum frigul extrem determină contractarea materialelor din motive exact opuse ca dilatarea termică obișnuită. Adesea sunt necesare alte materiale cu coeficienți diferiți împreună cu aceste solide. Un exemplu ar fi o fereastră, care are nevoie de fitinguri din cauciuc pentru a preveni dilatarea și contracția cadrului metalic.
Cu cât materialul este mai dur, cu atât dilatarea termică este mai mică. Lichidele se vor extinde mai ușor decât solidele. Acest lucru este cauzat de faptul că, pe măsură ce legătura de energie dintre particule crește, dilatarea termică scade în aceste substanțe. În plus, anumite materiale își schimbă dimensiunea datorită absorbției sau desorbției apei sau solvenților.
Un tip de expansiune cunoscut sub numele de expansiune anizotropă poate apărea în anumite tipuri de materiale. Aceasta înseamnă că solidul nu se va extinde exact la fel în fiecare direcție. Orice material cu un număr de straturi, cum ar fi grafitul, se extinde de obicei mai ușor într-un mod perpendicular cu straturile, mai degrabă decât vertical pe straturi. Acest lucru poate fi benefic pentru designeri atunci când încearcă să realizeze un fiting care ar trebui să se extindă într-o singură direcție atunci când este expus la schimbări de temperatură.