熱膨脹是物質以改變其傾向形狀，面積，體積，和密度響應于變化的溫度，通常不包括相變。

溫度是物質平均分子動能的單調函數。當一種物質被加熱時，分子開始振動并移動得更多，通常會在它們之間產生更多的距離。隨溫度升高而收縮的物質是不常見的，并且僅在有限的溫度范圍內發生。相對膨脹（也稱為應變）除以溫度變化稱為材料的線性熱膨脹系數，通常隨溫度變化。隨著粒子中能量的增加，它們開始移動得越來越快，從而削弱了它們之間的分子間作用力，從而使物質膨脹。

如果狀態方程可用，它可用于預測所有所需溫度和壓力下的熱膨脹值，以及許多其他狀態函數。

許多材料在一定溫度范圍內加熱收縮；這通常稱為負熱膨脹，而不是“熱收縮”。例如，水的熱膨脹系數在冷卻到3.983°C時降為零，然后在低于該溫度時變為負值；這意味著水在此溫度下具有xxx密度，這導致水體在長時間低于零度的天氣中將溫度保持在較低的深度。此外，相當純的硅在大約18到120開爾文之間的溫度下具有負的熱膨脹系數。

熱膨脹通常隨著鍵能的增加而降低，這也會影響固體的熔點，因此，高熔點材料更可能具有較低的熱膨脹。一般來說，液體比固體稍微膨脹。與晶體相比，玻璃的熱膨脹略高。在玻璃化轉變溫度下，無定形材料中發生的重排會導致熱膨脹系數和比熱的特征性不連續性。這些不連續性允許檢測過冷液體轉變為玻璃時的玻璃化轉變溫度。當玻璃形成液體從外部加熱時，會發生一種有趣的“加熱冷卻”效應，導致液體深處的溫度下降。

水（或其他溶劑）的吸收或解吸可以改變許多常見材料的尺寸；與熱膨脹相比，許多有機材料由于這種效應而改變尺寸的幅度更大。從長遠來看，暴露在水中的普通塑料會膨脹很多百分比。

熱膨脹變化的物質，從而改變該物質的體積，同時可以忽略的程度改變其質量的顆粒之間的空間（可忽略的量來源于能量質量等價），從而改變它的密度，這對任何一個影響浮力作用于它。這在不均勻加熱的流體質量的對流中起著至關重要的作用，特別是使熱膨脹成為風和洋流的部分原因。

的熱膨脹系數描述了一個對象的大小如何隨溫度的變化而變化。具體來說，它測量恒定壓力下每度溫度變化的尺寸變化分數，因此較低的系數描述了較低的尺寸變化傾向。已經開發了幾種類型的系數：體積、面積和線性。系數的選擇取決于特定的應用以及哪些維度被認為是重要的。對于實體，人們可能只關心沿長度或某個區域的變化。

體積熱膨脹系數是最基本的熱膨脹系數，與流體最相關。一般來說，物質隨著溫度的變化而膨脹或收縮，膨脹或收縮發生在各個方向。在各個方向以相同速率膨脹的物質稱為各向同性。對于各向同性材料，面積和體積熱膨脹系數分別約為線性熱膨脹系數的兩倍和三倍。

下面針對固體、液體和氣體定義了這些系數的數學定義。

有關使用熱膨脹特性的應用，請參閱雙金屬條、玻璃水銀溫度計和Tyndall的斷線器。鋼軌連續長段的熱膨脹是鋼軌屈曲的驅動力。這種現象導致僅在美國1998-2002年間就有190次火車脫軌。

在設計大型結構、使用卷尺或鏈測量土地測量距離、設計用于澆注熱材料的模具以及在其他工程應用中（預計會因溫度導致尺寸發生較大變化）時，必須考慮材料的膨脹和收縮.

熱膨脹也用于機械應用以將零件相互配合，例如，可以通過使軸襯的內徑略小于軸的直徑，然后將其加熱直到配合在軸上，從而將軸襯安裝在軸上，并允許將其推到軸上后冷卻，從而實現“收縮配合”。感應熱縮配合是一種常見的工業方法，用于在150°C到300°C之間預熱金屬部件，從而使它們膨脹并允許插入或移除另一個部件。

存在一些線性膨脹系數非常小的合金，用于需要在一定溫度范圍內物理尺寸變化非常小的應用。其中之一是Invar36，膨脹大約等于0.6×10-6K-1。這些合金可用于可能發生大范圍溫度波動的航空航天應用。

Pullinger的儀器用于在實驗室中確定金屬棒的線性膨脹。該裝置由一個兩端封閉的金屬圓筒（稱為蒸汽夾套）組成。它設有蒸汽入口和出口。用于加熱棒??的蒸汽由鍋爐供應，該鍋爐通過橡膠管連接到入口。圓柱體的中心有一個孔，可以插入溫度計。被研究的棒被封閉在一個蒸汽夾套中。它的一端是自由的，但另一端壓在固定螺釘上。桿的位置由千分尺螺紋規或球度計確定。

為了確定金屬的線性熱膨脹系數，由該金屬制成的管子通過蒸汽通過它來加熱。管子的一端固定牢固，另一端靠在轉軸上，轉軸的運動由指針指示。合適的溫度計記錄管道的溫度。這使得能夠計算每度溫度變化的長度相對變化。

由于各種原因，脆性材料中熱膨脹的控制是一個關鍵問題。例如，玻璃和陶瓷都很脆，溫度不均勻會導致膨脹不均勻，再次引起熱應力，這可能會導致破裂。陶瓷需要與多種材料結合或協同工作，因此它們的膨脹必須與應用相匹配。因為釉料需要牢固地附著在下面的瓷器（或其他主體類型）上，所以必須調整它們的熱膨脹以“適合”主體，以免出現裂紋或顫抖。CorningWare和火花塞是其成功關鍵的熱膨脹產品的典型例子.陶瓷體的熱膨脹可以通過燒制來控制，以產生將影響材料在所需方向上的整體膨脹的結晶物質。此外或替代地，主體的配方可以使用將具有所需膨脹的顆粒輸送到基質的材料。釉料的熱膨脹受它們的化學成分和它們所經歷的燒制時間表控制。在大多數情況下，控制坯體和釉料膨脹涉及復雜的問題，因此必須在調整熱膨脹時著眼于將受到影響的其他特性，并且通常需要進行權衡。

熱膨脹會對儲存在地上儲罐中的汽油產生顯著影響，這會導致汽油泵分配汽油，這些汽油在冬季可能比地下儲罐中的汽油壓縮得更多，或者比地下儲罐中的汽油壓縮得少在夏天。

在大多數工程領域都必須考慮熱致膨脹。幾個例子是：

• 金屬框架窗戶需要橡膠墊片。
• 橡膠輪胎需要在一定溫度范圍內表現良好，通過路面和天氣被動加熱或冷卻，并通過機械彎曲和摩擦主動加熱。
• 金屬熱水加熱管不應使用長直管段。
• 鐵路和橋梁等大型結構需要在結構中安裝伸縮縫以避免太陽扭結。
• 冷車發動機性能不佳的原因之一是零件在達到正常工作溫度之前沒有效率地大間距。
• 甲烤架擺使用不同金屬的結構，保持更穩定的溫度擺長。
• 熱天的電源線下垂，但冷天的電源線很緊。這是因為金屬在加熱下會膨脹。
• 膨脹節吸收管道系統中的熱膨脹。
• 精密工程幾乎總是要求工程師關注產品的熱膨脹。例如，當使用掃描電子顯微鏡時，溫度的微小變化（例如1度）會導致樣品相對于焦點的位置發生變化。
• 液體溫度計在管中裝有液體（通常是水銀或酒精），當其體積因溫度變化而膨脹時，這會限制其僅向一個方向流動。
• 雙金屬機械溫度計使用雙金屬條，由于兩種金屬的熱膨脹不同而彎曲。