Como resultado de los cambios de temperatura, la materia cambia de volumen. Este concepto se conoce como expansión térmica. A medida que una sustancia se calienta, las partículas dentro de la materia se mueven y se vuelven más activas a medida que aumenta la temperatura. Esta actividad hace que las partículas necesiten espacio adicional entre sí, aumentando el tamaño de un material. La ecuación para describir este concepto se conoce como coeficiente de expansión térmica y se puede definir por el hecho de que el grado de expansión se divide por el cambio de temperatura en un material.
El uso de ciertos materiales sólidos en la construcción y la ingeniería es un resultado directo de esta expansión térmica. La necesidad de que los objetos conserven su forma sin distorsiones importantes da como resultado la práctica común de utilizar metales y plásticos. Por ejemplo, un martillo debe conservar su forma a medida que aumentan las temperaturas para evitar daños. Si bien este principio es generalmente cierto según el tipo de material utilizado, ciertas estructuras, como los cristales, pueden poseer diferentes coeficientes de expansión térmica según la forma.
Asimismo, con el concepto de expansión térmica negativa, condiciones como el frío extremo hacen que los materiales se contraigan por razones exactamente opuestas a las de la expansión térmica regular. A menudo, se necesitan otros materiales con diferentes coeficientes junto con estos sólidos. Un ejemplo sería una ventana, que necesita accesorios de goma para evitar la expansión y contracción del marco de metal.
Cuanto más duro sea el material, menor será la expansión térmica. Los líquidos se expandirán más fácilmente que los sólidos. Esto se debe al hecho de que a medida que aumenta el enlace de energía entre las partículas, la expansión térmica disminuye en estas sustancias. Además, ciertos materiales cambian de tamaño debido a la absorción o desorción de agua o solventes.
Un tipo de expansión conocida como expansión anisotrópica puede ocurrir dentro de ciertos tipos de materiales. Esto significa que el sólido no se expandirá exactamente igual en cada dirección. Cualquier material con varias capas, como el grafito, generalmente se expande más fácilmente de manera perpendicular con las capas que verticalmente contra las capas. Esto puede ser beneficioso para los diseñadores cuando intentan hacer un accesorio que necesitaría expandirse en una sola dirección cuando se expone a cambios de temperatura.