熱膨張は物質の粒子間の間隔を変化させ、それによって物質の体積を変化させる一方で、その質量を無視できる程度に変化させ（無視できる量は質量とエネルギーの等価性に基づく）、したがってその密度が変化して、それに作用する浮力に影響を及ぼす。これは、不均一に加熱された流体の対流において重要な役割を果たし、とりわけ熱膨張は一部の風や海流を発生させる役目を果たしている。
熱膨張率.
これら係数の数学的定義は、固体・液体・気体で以下のように定められている。
一般的な熱膨張率.
一般に固体・液体・気体の場合、体積膨張率は次の通り。
固体の熱膨張.
熱膨張を計算する場合、形状が自由に膨張するのか拘束されているかを考慮する必要がある。形状が自由に膨張する場合、温度上昇に起因する膨張やひずみは適用可能な熱膨張率を使って単純に求めることができる。
膨張できないよう形状が拘束されている場合、内部応力が温度変化によって引き起こされる（または変化する）。この応力は、弾性係数またはヤング率で規定される応力/ひずみ関係を通じて、形状が自由膨張した場合に生じるひずみと、そのひずみをゼロに減らすのに必要な応力を考慮することで算出できる。固体物質の場合では、通常だと環境から受ける圧力が物体のサイズに目立つほど影響しないため、一般的に圧力変化の影響を考慮する必要はない。
一般的な工学用の固体は通常、使用が想定された温度範囲で熱膨張率が大幅に変化することはない。そのため極端な高精度が要求されないのなら、膨張率の平均値を取ってその値が一定だと見なして実用的な計算を行うことができる。
等方性物質.
異方性物質.
気体の定圧膨張.
液体の熱膨張.
固体の熱膨張は通常だと温度にほとんど左右されない（低温を除く）が、液体は温度が違うと異なる割合で膨張する。
液体の見かけの膨張と絶対膨張.