La dilatación térmica global de un cuerpo es consecuencia del cambio en la separación media entre sus átomos o moléculas. Para comprender esto, se considera un sólido cristalino, el cual consta de un arreglo regular de átomos mantenidos juntos por fuerzas eléctricas. Se puede hacer un modelo mecánico para estas fuerzas imaginando que los átomos están conectados por un juego de resortes rígidos, como se ve en la figura. Las fuerzas interatómicas se consideran elásticas por su naturaleza. A temperaturas ordinarias, los átomos vibran respecto de sus posiciones de equilibrio con una amplitud aproximada de 10^-11 m y una frecuencia aproximada de 10¹³ Hz. El espacio promedio entre los átomos es del orden de 10^-10 m. Al aumentar la temperatura del sólido, los átomos vibran con amplitudes más grandes y la separación entre ellos aumenta. Estrictamente hablando, la dilatación térmica aparece de la naturaleza asimétrica de la curva de energía potencial para los átomos de un sólido. Si los osciladores fueran verdaderamente armónicos, la separación atómica promedio no cambiaría sin importar la amplitud de la vibración. En consecuencia, el sólido como un todo se dilata al aumentar su temperatura. Si la expansión de un objeto es suficientemente pequeña en comparación con sus dimensiones iniciales, entonces el cambio en cualquier dimensión (longitud, ancho o espesor) es función lineal de la temperatura.