A dilatação térmica é a tendência da matéria a mudar de volume em resposta a uma mudança de temperatura. Um exemplo disso é o frenesim da via férrea,nesse caso, os átomos e moléculas em um sólido e oscilam constantemente em torno de seu ponto de equilíbrio. Contudo, quando expostos à altas temperaturas (se fossem colocados no fogo, por exemplo) iriam se expandir e ficar de tamanho maior, podendo até mesmo, a dificultar a passagem do trem.
Este tipo de excitação é chamado de movimento térmico. Quando uma substância é aquecida, suas partículas constituintes começam a se mover mais, mantendo assim uma maior separação média com suas partículas vizinhas. O grau de expansão dividido pela mudança de temperatura é chamado de coeficiente de expansão térmica do material; geralmente varia com a temperatura.
Porque é que o tamanho do objeto se expande quando aquecido?
A resposta pode ser encontrada na forma do típico potencial partícula-partícula na matéria. Partículas em sólidos e líquidos sentem constantemente a presença de outras partículas vizinhas. Esta interação pode ser representada matematicamente como uma curva potencial. A figura 2 ilustra como este potencial inter-partícula geralmente toma uma forma assimétrica ao invés de uma forma simétrica, em função da distância partícula-partícula. Note – se que a curva potencial é mais íngreme para uma distância mais curta.
Os materiais que contraiam ou mantêm a sua forma com o aumento da temperatura são raros. Este efeito é limitado em tamanho, e só ocorre dentro de intervalos de temperatura limitados.
Dilatação térmica linear
Para uma primeira aproximação, a mudança nas medições de comprimento de um objeto (dimensão linear em oposição, por exemplo, a dimensão volumétrica) devido à expansão térmica está relacionada com a mudança de temperatura por um coeficiente de expansão linear. É a variação fracional no comprimento por grau de mudança de temperatura. Assumindo um efeito negligenciável de pressão, podemos escrever a equação da dilatação térmica:
αL=1LdLdT,
