Come risultato delle variazioni di temperatura, la materia cambia di volume. Questo concetto è noto come espansione termica. Quando una sostanza si riscalda, le particelle all’interno della materia si muovono, diventando più attive all’aumentare della temperatura. Questa attività fa sì che le particelle necessitino di spazio aggiuntivo tra loro, aumentando le dimensioni di un materiale. L’equazione per descrivere questo concetto è nota come coefficiente di espansione termica e può essere definita dal fatto che il grado di espansione è diviso per la variazione di temperatura in un materiale.
L’uso di determinati materiali solidi nella costruzione e nell’ingegneria è un risultato diretto di questa espansione termica. La necessità che gli oggetti mantengano la loro forma senza grandi distorsioni si traduce nella pratica comune di utilizzare metalli e plastica. Ad esempio, un martello deve mantenere la sua forma con l’aumento della temperatura per evitare danni. Mentre questo principio è generalmente vero in base al tipo di materiale utilizzato, alcune strutture, come i cristalli, possono possedere coefficienti di espansione termica diversi a seconda della forma.
Allo stesso modo con il concetto di espansione termica negativa, condizioni come il freddo estremo provocano la contrazione dei materiali per ragioni esattamente opposte alla normale espansione termica. Spesso sono necessari altri materiali con coefficienti diversi in combinazione con questi solidi. Un esempio potrebbe essere una finestra, che necessita di raccordi in gomma per impedire l’espansione e la contrazione del telaio metallico.
Più duro è il materiale, minore è l’espansione termica. I liquidi si espanderanno più facilmente dei solidi. Ciò è causato dal fatto che all’aumentare del legame energetico tra le particelle, l’espansione termica di queste sostanze diminuisce. Inoltre, alcuni materiali cambiano dimensione a causa dell’assorbimento o del desorbimento di acqua o solventi.
Un tipo di espansione noto come espansione anisotropa può verificarsi all’interno di alcuni tipi di materiali. Ciò significa che il solido non si espanderà esattamente allo stesso modo in ciascuna direzione. Qualsiasi materiale con un numero di strati, come la grafite, di solito si espande più facilmente in modo perpendicolare con gli strati piuttosto che verticalmente contro gli strati. Questo può essere vantaggioso per i progettisti quando tentano di realizzare un raccordo che dovrebbe espandersi in una sola direzione se esposto a variazioni di temperatura.