En général, le refroidissement entraîne une diminution du volume de la plupart des substances. Ce phénomène est connu sous le nom de contraction thermique. Cela se produit en raison de la diminution de l’énergie cinétique moyenne des particules à mesure que la température diminue. À mesure que les particules se déplacent plus lentement, elles occupent moins d’espace, ce qui entraîne une réduction de volume.

Il existe cependant quelques exceptions à cette règle. Notamment, l'eau présente un comportement inhabituel connu sous le nom d'« anomalie de densité » ou d'« anomalie de densité maximale ». Dans le cas de l'eau, la densité atteint sa valeur la plus élevée à environ 4°C (39,2°F). En dessous de cette température, la densité de l'eau diminue à mesure qu'elle se refroidit, ce qui fait flotter la glace formée à 0°C (32°F) sur l'eau liquide.

Dans la plupart des autres substances, la contraction thermique est une relation linéaire. Le taux de contraction par unité de changement de température est appelé coefficient de dilatation thermique (CTE). Le CTE varie selon les substances et constitue une propriété fondamentale utilisée pour comprendre et concevoir des systèmes soumis à des changements de température.