Kao rezultat promjene temperature, materija mijenja volumen. Ovaj koncept je poznat kao toplinsko širenje. Kako se tvar zagrijava, čestice unutar materije se kreću, postajući aktivnije kako temperatura raste. Ova aktivnost uzrokuje da čestice trebaju dodatni razmak jedna od druge, povećavajući veličinu materijala. Jednadžba koja opisuje ovaj koncept poznata je kao koeficijent toplinskog širenja i može se definirati činjenicom da je stupanj ekspanzije podijeljen s promjenom temperature u materijalu.
Upotreba određenih čvrstih materijala u građevinarstvu i inženjerstvu izravna je posljedica tog toplinskog širenja. Potreba da predmeti zadrže svoj oblik bez većeg izobličenja rezultira uobičajenom praksom korištenja metala i plastike. Na primjer, čekić mora zadržati svoj oblik kako temperatura raste kako bi se spriječilo oštećenje. Iako je ovaj princip općenito istinit na temelju vrste korištenog materijala, određene strukture, poput kristala, mogu posjedovati različite koeficijente toplinskog širenja ovisno o obliku.
Slično s konceptom negativnog toplinskog širenja, uvjeti kao što je ekstremna hladnoća uzrokuju stezanje materijala iz potpuno suprotnih razloga kao što je to uobičajeno toplinsko širenje. Često su potrebni drugi materijali s različitim koeficijentima u sprezi s tim čvrstim tvarima. Jedan primjer bi bio prozor, koji treba gumene okove kako bi se spriječilo širenje i skupljanje metalnog okvira.
Što je materijal tvrđi, to je niže toplinsko širenje. Tekućine će se brže širiti od krutih tvari. To je uzrokovano činjenicom da kako se energetska veza između čestica povećava, toplinsko širenje se smanjuje u tim tvarima. Osim toga, određeni materijali mijenjaju veličinu zbog apsorpcije ili desorpcije vode ili otapala.
Vrsta ekspanzije poznata kao anizotropna ekspanzija može se pojaviti unutar određenih vrsta materijala. To znači da se krutina neće širiti potpuno jednako u svakom smjeru. Svaki materijal s više slojeva, kao što je grafit, obično se lakše širi okomito sa slojevima, a ne okomito prema slojevima. To može biti korisno za dizajnere kada pokušavaju napraviti spoj koji bi se morao proširiti samo u jednom smjeru kada je izložen temperaturnim promjenama.