Une méthode établie de mesure des coefficients de dilatation thermique est celle de la dilatométrie.
Dans le cas des matériaux cristallins, la dilatation thermique peut se mesurer de façon précise par diffraction des rayons X. Une méthode couramment utilisée consiste à mesurer les paramètres de maille du cristal pour différentes températures et d'en déduire les coefficients de dilatation linéaires. Cependant, le calcul intermédiaire des paramètres de maille introduit des erreurs supplémentaires dans le calcul des coefficients et il est préférable de les obtenir à partir de la variation en température de l'angle de diffraction θ. Plusieurs programmes fournissent les composantes du tenseur de dilatation à partir des variations de θ.
La dilatation des solides est compensée sur les ponts par des « rainures » appelées joints de dilatation : avec les différences d'exposition au soleil et l'échauffement de l'atmosphère, un solide de plusieurs dizaines de mètres peut s'allonger de quelques centimètres. Sans l'espace laissé par les joints de dilatation, le pont subirait des contraintes internes supplémentaires.
Le cas le plus généralement connu est celui de l'eau, qui présente un comportement particulier dans sa phase liquide entre 0 °C et + 4 °C : lorsque la température augmente dans cet intervalle l'eau se contracte et son volume massique diminue, ce qui correspond à un coefficient de dilatation thermique négatif. Ce phénomène est couramment appelé le « paradoxe de l'eau ».
Cependant, d'autres matériaux possèdent un coefficient de dilatation thermique négatif :
Ainsi, plusieurs causes peuvent être à l'origine d'un coefficient de dilatation thermique négatif. Une application potentielle des matériaux à coefficient de dilatation thermique négatif en ingénierie est la mise au point de matériaux composites, mélanges de matériaux à coefficients α positifs et négatifs, qui auraient une dilatation thermique totale nulle.
Structure cristalline de ZrW2O8. Octaèdres ZrO6 en vert, tétraèdres WO4 en rouge. | SrCu2(BO3)2 à -173,15 °C. Vert : strontium, rouge : cuivre, jaune : bore, bleu : oxygène. |