열팽창이란 물질이 열을 흡수하여 온도가 올라갈 때 그 부피가 팽창하는 현상을 말한다. 모든 물질은 원자나 분자로 구성되어 있는데, 온도가 높아지면 이들 입자의 운동 에너지가 증가하여 진동이나 운동이 더욱 활발해진다. 이 과정에서 입자들 사이의 평균 거리가 멀어지게 되며, 결과적으로 물질 전체의 크기가 커지게 된다. 반대로 온도가 낮아지면 입자 운동이 둔해져 입자 사이의 거리가 가까워지고 부피가 줄어드는데, 이를 열수축이라 한다.

열팽창은 물질의 상태에 따라 나타나는 정도가 다르다. 고체에서는 온도 변화에 따라 길이나 면적, 부피가 모두 증가하며, 특히 고체 막대의 길이가 늘어나는 비율을 선팽창 계수라고 한다. 액체는 고체보다 열팽창 정도가 훨씬 크며, 일정한 모양이 없으므로 부피의 변화인 체팽창만을 고려한다. 기체는 세 상태 중 열팽창이 가장 급격하게 일어나며, 물질의 종류와 관계없이 온도가 올라감에 따라 부피가 일정하게 증가한다는 샤를의 법칙을 따른다.

실생활이나 건축 및 공학 분야에서는 열팽창으로 인한 변형을 방지하기 위한 다양한 설계가 적용된다. 철도의 선로를 설치할 때 레일 사이의 이음새에 좁은 틈을 두는 이유는 여름철 기온 상승으로 레일의 길이가 늘어나 선로가 휘어지는 사고를 막기 위함이다. 거대한 교량의 연결 부위에 빗 모양의 신축 이음 장치를 설치하거나, 긴 송유관을 중간에 ㄷ자 형태로 구부려 놓는 것 또한 온도 변화에 따른 길이 변화를 흡수하기 위한 장치들이다.

대부분의 물질은 온도가 높아지면 부피가 늘어나지만, 물은 예외적인 특성을 보인다. 물은 0℃에서 4℃ 사이에서 온도가 올라갈 때 오히려 부피가 감소하고 밀도가 증가하는 현상을 나타낸다. 4℃에서 물의 밀도가 가장 커지며, 이 온도를 넘어서야 비로소 다른 물질처럼 부피가 다시 팽창하기 시작한다. 이러한 물의 독특한 열팽창 특성 덕분에 겨울철 호수의 표면부터 얼음이 얼게 되며, 호수 바닥의 물은 4℃를 유지하여 수중 생명체들이 생존할 수 있는 환경이 조성된다.

열팽창 계수의 차이를 활용하여 유용하게 사용하는 장치로 바이메탈이 있다. 바이메탈은 열팽창 계수가 서로 다른 두 종류의 금속판을 하나로 붙여 만든 것으로, 온도가 변하면 팽창하는 정도의 차이로 인해 한쪽으로 휘어지게 된다. 이러한 성질은 전기다리미, 화재경보기, 전기 주전자 등의 온도 조절 장치에서 전류를 흐르게 하거나 차단하는 스위치 역할을 수행한다. 이처럼 열팽창에 대한 이해는 정밀한 기계 설계와 안전한 구조물 축조뿐만 아니라 다양한 가전제품의 원리에도 핵심적인 바탕이 된다.