熱脹冷縮現象在古代得到很好的應用。古代人多以銅而少以鐵製作度量衡的標準器。他們的理由是，「銅為物之至精，不為燥、濕、寒、溫變節，不為霜、露、風、雨改形。」(《前漢書·律曆志》)顯然，古代人不可能精確地測定各種物體的膨脹係數，因此也就不能比較銅與鐵究竟哪一個在同樣溫差下膨脹較多。他們只能從物體經受風雨寒熱之後的外表變化中選取較好的材料。由於鐵比銅更容易生鏽、剝蝕，即「改形」，因此將銅作為度量衡標準器的材料是理所當然的；而古代人從中發現寒溫之變會使物體「變節」，這與熱脹冷縮的道理也是一致的。
據《華陽國志》載，在戰國末、秦統一中國之前，李冰為開鑿都江堰，曾利用熱脹冷縮原理打碎攔路巨石。都江堰兩岸懸崖巨石堅硬，鑽斧工具無可奈何。李冰想出一個辦法：先在其上堆放柴草，火燒柴草，使巨石熾熱，然後用水澆，於是石裂可鑿。東漢時，成都太守虞詡〔xu許〕主持西漢水(嘉陵江上游)航運整修工程，也用了同樣的方法：「詡乃使人燒石，以水灌之，石皆坼〔che徹〕裂，因鐫〔juan娟〕去石。」(《後漢書·虞詡傳》)這種方法在水利工程和採礦工程中被廣泛運用，並被稱之為「燒石易鑿法」，「燒爆法」(《物理小識》卷七)。
古代名門權貴，腰間常佩帶轆轤劍，劍柄玉制。所謂轆轤，是兩塊球形玉相套合而成，外形似「呂」字，「環口中間，似轆轤旋轉，無分毫隙縫」。古人如何將一個球形玉的軸塞進另一個的孔洞中？ 原來是，將帶孔洞的球蒸煮加熱，然後將另一球的軸塞入孔洞。元代陶宗儀經過實驗之後，得「煮之胖脹」的科學結論。(陶宗儀：《南村輟耕錄》卷二三)「胖脹」與膨脹是同一個意思。
但是，在蒸煮加溫過程中，如果溫度足夠高，某些物質的狀態就會發生變化。
物質有固態、液態和氣態三種狀態。溫度改變能使這三種狀態相互轉換。人們首先從天氣變化中觀察到物態的變化。同是雨水，「夏日則雨水，冬日天寒則雨凝而為雪」(《論衡·感應篇》)。「雲霧，雨之徵也。夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪」(《論衡·說日篇》)。在日常生活、煮水做飯中，人們更經常地觀察到水與汽兩相之間的變化。水與冰兩相間的變化使人們正確地作出其間溫度不同的結論：「冰，水為之，而寒於水。」(《荀子·勸學》)「冰生於水而冷於水。」(《劉子·精神》)
在古代，對於物態變化最有研究的當屬煉丹家。他們為了製取「長生不老葯」或「點鐵成金」，終生隱居山林，將一些藥物、礦物加熱、煅燒、蒸煮、冷卻，使其物態發生變化。最早的煉丹家之一葛洪曾說：「丹砂燒之成水銀，積變又返丹砂。」(《抱朴子·內篇·金丹》)「丹砂」是含汞的合金。他發現了固態礦物與液態汞之間的狀態變化。出於保密，煉丹家的許多著作很難讀懂。但是，加熱汞的過程是眾所周知的。明清之際王夫之(公元1619-1692年)說：「汞見火則飛，不知何往，而究歸於地。」(《張子正蒙注·太和篇》)這裡說的是，液態汞經加熱而變為氣態飛往空中，然後氣態汞又凝結為液態而掉落地面的過程。
在長期煮水泡茶的生活實踐中，人們對於水的沸騰現象有仔細的觀察記載。在水未沸騰時，無氣泡出現，稱為「盲眼」；水初開時水泡像「蟹眼」那麼大，然後像「魚眼」那麼大；最後水泡翻滾跳躍(蔡襄：《茶錄》上篇)。其實，古代人觀察到水隨溫度升高而遞次沸騰的現象。
沸騰是狀態變化的一種形式，蒸發則是這種變化的另一形式。明代庄元臣說：「置水於室，弗動弗易，久而水減寸焉。」(《叔苴子·內篇》卷一)這正是水在常溫常壓下的蒸發現象。古代人酷愛硯石，好硯石加上貴重硯匣，可謂文房四寶中珍品。因為好硯盒「復之以匣，數日墨色不幹。經夜，即其氣上下蒸濡，著於匣中，有如雨露」。「墨氣蒸，上騰其墨，乃著蓋上。久之，蓋上之墨復滴硯中」(陸遊：《老學庵筆記》卷八)。這樣，墨水經久不幹。這種現象是由於墨水的蒸發，以及在密閉容器(墨盒)中過飽和的蒸氣凝結成水的緣故。