На всьому протязі розвитку фізики основним предметом її вивчення було будова речовини. На різних рівнях розвитку науки різняться основні уявлення про будову речовини. З розвитком вчення про теплові явища у фізиці була створена молекулярно-кінетична теорія. Основоположним становищем цієї теорії є визнання факту, що всі речовини складаються з найдрібніших частинок, званих молекулами, які перебувають в стані безперервного руху. Через дуже малих розмірів молекул (близько 10 -8 см) їх знаходиться в речовині величезна кількість. Наприклад, всього 1 см 3 повітря при нормальних умовах містить 2,7 × 10 19 молекул. Тому застосування законів механіки для знаходження мікроскопічних характеристик такої макросистеми, тобто координат і імпульсів кожної молекули, абсолютно безперспективно. Для вивчення макросістем потрібні інші підходи.
Фізичні властивості систем, що складаються з колосального числа частинок (атомів і молекул) становить предмет вивчення молекулярної фізики.
Починаючи вивчення молекулярної фізики і термодинаміки, необхідно донести до учнів наступні положення:
1. Щоб відповісти на дуже багато питань досить знати не поведінка окремих молекул, а тільки макроскопічні параметри, що характеризують стан всієї системи. Такими параметрами є, наприклад, обсяг системи, її маса, повна енергія. Якщо система знаходиться в стані рівноваги, то вона характеризується ще й такими параметрами, як тиск і температура. Значення макроскопічних параметрів визначаються не поведінкою окремих молекул, а середнім результатом, до якого приводить їх сукупне рух, тобто середніми значеннями мікроскопічних параметрів.
2. Завдання молекулярно-кінетичної теорії полягає в тому, щоб встановити зв'язок макроскопічних параметрів системи з середніми значеннями мікроскопічних величин і дати спосіб обчислення цих середніх значень на основі законів руху окремих частинок. Такий підхід справедливий для газових систем. Так, наприклад, для одного моля ідеального газу молекулярно-кінетична теорія встановлює зв'язок між твором двох макроскопічних параметрів - тиску Р і молярного об'єму - і середнім значенням мікроскопічного параметра Е - кінетичної енергії хаотичного теплового руху однієї молекули:
де - постійна Авогадро.
3. Історично склався і інший підхід до вивчення систем, що складаються з великої кількості частинок, в яких встановлення зв'язків між різними макроскопічними параметрами проводиться досвідченим шляхом. Наприклад, для одного моля ідеального газу з досвіду встановлюється наступна зв'язок між трьома макроскопічними параметрами - тиском, молярним об'ємом і термодинамічною температурою газу:
де R - газова постійна. Такий емпіричний підхід характерний для термодинаміки.
В рамках термодинаміки не розкривається глибокий фізичний зміст макроскопічних параметрів системи, тобто їх зв'язок із середніми значеннями мікроскопічних параметрів. Однак, завдяки саме цій обставині, основні закони термодинаміки, встановлені на досвіді, відрізняються великою спільністю і пишуться для всіх макроскопічних систем незалежно від особливостей їх внутрішньої структури.
4. Найбільш повні уявлення про властивості систем великого числа частинок дає спільне використання термодинаміки і статистичної механіки. Наприклад, порівняння формул (1) і (2) дає можливість встановити фізичний зміст макроскопічного параметра - термодинамічної температури Т.
а також отримати зручне вираз для тиску ідеального газу
Таким чином, тиск ідеального газу визначається середнім числом частинок в одиниці об'єму n і термодинамічною температурою.
Експериментальні факти: спостереження броунівського руху, стисливості газів, змочування на кордоні рідини з твердим тілом, дифузії, теплопровідності та інших явищ.
Основні поняття: молекула, міль, теплота, тиск, об'єм, температура, внутрішня енергія, теплова рівновага, газ, рідина, тверде тіло, теплові машини, цикл Карно, ентропія, фазові перетворення.
Закони та рівняння. рівняння стану ідеального газу; закон про розподіл молекул газу за швидкостями (розподіл Максвелла); перший і другий закон термодинаміки, гіпотеза про рівномірний розподіл енергії за ступенями свободи, нерівність Клаузіуса, принцип зростання ентропії.