Durch Temperaturänderungen ändert sich das Volumen der Materie. Dieses Konzept wird als Wärmeausdehnung bezeichnet. Wenn sich eine Substanz erwärmt, bewegen sich die Partikel in der Materie und werden mit steigender Temperatur aktiver. Diese Aktivität führt dazu, dass die Partikel zusätzlichen Abstand zueinander benötigen, wodurch die Größe eines Materials vergrößert wird. Die Gleichung zur Beschreibung dieses Konzepts ist als Wärmeausdehnungskoeffizient bekannt und kann dadurch definiert werden, dass der Ausdehnungsgrad durch die Temperaturänderung in einem Material geteilt wird.
Die Verwendung bestimmter fester Materialien im Bau- und Ingenieurwesen ist eine direkte Folge dieser Wärmeausdehnung. Das Erfordernis, dass Gegenstände ihre Form ohne größere Verzerrungen beibehalten, führt zur gängigen Praxis, Metalle und Kunststoffe zu verwenden. Ein Hammer muss beispielsweise bei steigenden Temperaturen seine Form behalten, um Beeinträchtigungen zu vermeiden. Während dieses Prinzip je nach Art des verwendeten Materials grundsätzlich gilt, können bestimmte Strukturen, wie beispielsweise Kristalle, je nach Form unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Ebenso wie beim Konzept der negativen Wärmeausdehnung führen Bedingungen wie extreme Kälte dazu, dass sich Materialien aus genau entgegengesetzten Gründen zusammenziehen als normale Wärmeausdehnung. Oft werden in Verbindung mit diesen Feststoffen andere Materialien mit anderen Koeffizienten benötigt. Ein Beispiel wäre ein Fenster, das Gummibeschläge benötigt, um das Ausdehnen und Zusammenziehen des Metallrahmens zu verhindern.
Je härter das Material, desto geringer die Wärmeausdehnung. Flüssigkeiten dehnen sich leichter aus als Feststoffe. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Energiebindung zwischen den Partikeln die Wärmeausdehnung in diesen Stoffen abnimmt. Darüber hinaus ändern bestimmte Materialien ihre Größe aufgrund der Absorption oder Desorption von Wasser oder Lösungsmitteln.
Bei bestimmten Materialtypen kann eine Art der Expansion auftreten, die als anisotrope Expansion bekannt ist. Dies bedeutet, dass sich der Festkörper nicht in jede Richtung genau gleich ausdehnt. Jedes Material mit mehreren Schichten, wie Graphit, dehnt sich normalerweise eher senkrecht zu den Schichten aus als senkrecht zu den Schichten. Dies kann für Konstrukteure von Vorteil sein, wenn sie versuchen, eine Armatur herzustellen, die sich bei Temperaturänderungen nur in eine Richtung ausdehnen muss.