Los termómetros miden la temperatura, en su gran mayoría, a partir de la dilatación de sólidos, líquidos y gases por efecto de la temperatura. Por lo tanto, la cuantificación de la temperatura queda determinada por el grado de dilatación que experimenta la sustancia.

La dilatación térmica o también conocida como expansión térmica es producto del cambio en la separación promedio entre los átomos. Un modelo mecánico para entender este fenómeno es pensar que los átomos están unidos por resortes, los cuales al aumentar la temperatura oscilan con una mayor amplitud y por tanto tienden a ocupar un mayor espacio.

A temperatura ambiente, los átomos en sólido oscilan respecto a su posición de equilibrio con una amplitud de 10^-11 m y a una frecuencia cercana a  de 10¹³Hz, al aumentar la temperatura la separación promedio aumenta entre ellos y se aprecia una expansión, pero esta no es lineal, sino de naturaleza asimétrica, como se muestra en la figura siguiente para la energía potencial

Fuente: Imagen extraída de Serway 2008, p. 428

En la imagen (a) se observa que se muestra la gráfica para la energía potencial en función del desplazamiento respecto a su posición de equilibrio. Cuando no se mueven demasiado la gráfica de energía potencial con la distancia de separación entre átomos es similar a la gráfica de energía potencial con la posición para un oscilador armónico simple (curva azul discontinua). En la imagen (b) se muestra un modelo mecánico para representar las fuerzas entre los átomos en un sólido.