一
对于要研究的事物，我们首先要问，我们得考察哪些量，能得到什么数据，又如何依赖数据之间的数学关系建立起物理量之间的关联。热力学所研究的是大量粒子组成的微观系统。对于若干粒子的运动规律和能量变化的研究，是没有意义的。由实验可得知，1mol（其数量级为10^(23)个） 理想气体的体积是22.4L，由此可得每立方米中有
个分子, 可见分子数目之多；
而分子间平均距离
可见分子间隙之小；
而分子大小又比分子间距离小一个数量级，已处于亚纳米级别。从以上三个数据的特点，知道研究少数粒子的运动是没有多大意义的。故热力学所采用的是统计学，即对整个系统进行统计求平均得到实验所能测到的参量。在热力学中，我们可以测得三个宏观状态量，即温度T，压强P以及体积V，将系统处于平衡态时的这三个状态量建立起函数关系，即是物态方程。根据实验规律，得到三条经验公式，即
波意耳定律
盖吕萨克定律
以及查理定律
将以上三式相乘可得
亦即
此即理想气体物态方程，这在整个热力学中是最为关键的方程，经常以 PV=nRT 形式出现，其中n为气体摩尔数，
为普适气体常量。此式对于各种理想气体都适用，是线性关系的，即满足道尔顿分压定律。
二
气体分子无时无刻都在进行剧烈运动，彼此碰撞，交换能量。温度越高，气体运动速度越大。常温差压下，粒子的平均速度可以达到500m/s，可见其运动之剧烈。另外，由于无数粒子热运动的无规性，故在统计上存在涨落。粒子数的相对涨落反比与粒子数的平方根，即 N^(-1/2)。正是如此，宏观世界才需要无数多的粒子来构建，以减少涨落，特别是生命；否则，由于少数粒子活动存在的巨大不确定性，是难以形成有条不紊的生物机能的。所以感觉器官的“迟钝”，能使得我们更加稳定，如果个体能感知到些许粒子的作用，那么可想而知，系统一定是崩溃的。如前文所述，分子数密度之大，间隙之小以及运动之剧烈，使得分子间不断地进行相互碰撞。所以即使单个分子的速度能达到400米每秒以上，但是在扩散中却是极度“缓慢”的，实则是由于在运动过程中与其它粒子相互间频繁地碰撞，导致走了一条十分曲折的路。处于平衡态的化学纯理想气体中分子平均碰撞频率为
其中d为分子的有效直径，
为分子碰撞截面，
为由麦克斯韦速度分布求得的处于温度T分子的平均速度。
由公式可求得在标况下，单个气体分子的平均碰撞频率可高达10^9次。这是什么概念呢？打个比方说，即是一秒钟内你要和全世界所有的人都打过招呼。在两次碰撞之间所走过的路程称为自由程，分子的平均自由程
亦可求得标准状况下
即是说某一分子碰撞一次后大概行走200倍自身长度远的时候，便与另外的分子发生碰撞。
在能量交换上，由于碰撞的随机性，处于温度T的平衡态气体中，每一个分子的各个自由度都均分到了的动能。这一方面反应了转动、振动和平动自由度的等同性，没有谁强谁若之分。另一方面又显示出了微观粒子系统内部的混乱性，使得粒子不断地碰撞作用，进行能量交换，并因为无规性而将能量分配到每一个自由度上。碰撞是驱使系统向稳定的平衡态发展的内因，是能量在微观系统中得到平均分配的动力。
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