Najprościej Ponieważ drgania atomów wokół położeń równowagi w ciele stałym nie są symetryczne, to znaczy, kiedy atomy oddalają się od siebie, przebywają większą drogę od położenia równowagi, niż kiedy się do siebie zbliżają. Średnio znajdują się więc w czasie silnych drgań dalej od siebie, niż kiedy drgania są słabe. Ponieważ w wyższej temperaturze drgania są silniejsze, ciało ogrzane rozszerza się.

Bardziej fachowo takie niesymetryczne drgania nazywamy anharmonicznymi*). Bardzo silnie anharmoniczny jest na przykład ruch piłki odbijającej się od podłogi. Jej położenie równowagi odpowiada spoczynkowi na podłodze. Piłka oddala się od tego położenia w dół bardzo mało (tyle, ile się ugnie), a w górę znacznie więcej (na wysokość, na jaką się odbije). Anharmoniczność drgań atomów w ciałach stałych jest niewielka, dlatego rozszerzają się one nieznacznie przy wzroście temperatury.

Model Do opisu ilościowego rozszerzalności cieplnej można wykorzystać model opisujący anharmoniczność drgań przez niewielką modyfikację zależności energii potencjalnej E_p od wychylenia x. Jak wiadomo, w ruchu harmonicznym zależność tę opisujemy funkcją kwadratową E_p = kx²/2, gdzie k jest stałą elastyczną. Anharmoniczność uwzględniamy dodając do tej funkcji małą poprawkę Cx³, gdzie C jest stałą stanowiącą miarę anharmoniczności. Można wykazać, że w przybliżeniu małej poprawki uzyskujemy wtedy przesunięcie średniego położenia w czasie drgań o wielkość proporcjonalną do energii potencjalnej.

Oporna rzeczywistość Na podstawie modelu oczekiwalibyśmy proporcjonalności wydłużenia ciał do temperatury, a więc zależności liniowej. Doświadczenie pokazuje jednak coś innego: rozszerzalność cieplna z reguły maleje przy spadku temperatury, a przy zbliżaniu się do zera absolutnego dąży do zera. Ta niezgodność przewidywań modelu z rzeczywistością pojawia się nie dlatego, że przybliżenie małej poprawki jest niewystarczające, ale z powodu specjalnych właściwości mikroświata, nie dających się opisać przy użyciu mechaniki klasycznej. Okazuje się, że cząsteczki nawet w najniższych temperaturach nie spoczywają, ale wykonują tak zwane drgania zerowe, które opisuje poprawnie mechanika kwantowa.

*) ściśle mówiąc nie każde drganie anharmoniczne jest niesymetryczne; aby drganie było anharmoniczne wystarczy by jego zależność położenia od czasu nie opisywała się sinusoidą