Literal, milioane de compuși chimici există. Modul în care acești compuși și constituenții lor reacționează și interacționează unul cu altul este guvernat de anumite principii fizice care explică comportamentul lor. Prin urmare, chimia fizică este baza pe care se sprijină toate celelalte domenii ale chimiei, iar această știință este, de asemenea, relevantă pentru aproape toate celelalte domenii științifice. Chimia fizică este cuprinsă în patru domenii, inclusiv termodinamică, chimie cuantică, cinetică chimică și termodinamică statistică.
Termodinamica este studiul conversiei energiei în căldură și muncă. În acest context, munca este definită ca energia transferată de o forță; de exemplu, lovirea cu piciorul într-o minge este o formă de lucru în care persoana care lovește mingea transferă forța de la picior în minge, determinând mingea să se miște. Termodinamica studiază, de asemenea, modalitățile în care procesul de conversie poate fi modificat prin modificarea variabilelor, cum ar fi presiunea și temperatura într-un sistem.
Chimia cuantică este o știință teoretică care descrie modul în care moleculele se leagă între ele prin aplicarea principiilor teoriei câmpului cuantic și mecanicii cuantice. Aceste principii descriu modul în care atomii și particulele subatomice se comportă în diferite sisteme și, la rândul lor, guvernează modul în care se comportă moleculele. Teoretic, toate sistemele chimice pot fi descrise folosind chimia cuantică, dar în practică doar sistemele foarte simple pot fi investigate cu acuratețe.
Cinetica chimică studiază vitezele proceselor chimice. Viteza unui proces chimic dat este pur și simplu viteza cu care are loc o reacție chimică. De exemplu, comparați rata de oxidare a fierului, care este un proces foarte lent, cu viteza de ardere a combustibilului, care este un proces de fracțiune de secundă. Cinetica chimică studiază, de asemenea, modul în care variabilele în schimbare, cum ar fi presiunea și temperatura, modifică viteza cu care apar reacțiile.
Aceste trei aspecte ale chimiei fizice sunt legate de un al patrulea, numit termodinamică statistică. Acest domeniu se referă la distribuția energiei în sistemele chimice și, de asemenea, leagă lumile microscopice și macroscopice. Scopul principal al termodinamicii statistice este de a interpreta proprietățile macroscopice ale diferitelor tipuri de materie în relație cu interacțiunile dintre moleculele și particulele microscopice constitutive ale acestora.
Prin studiul acestor patru concepte, chimia fizică modernă încearcă să înțeleagă probleme chimice complexe în contextul științelor biologice, a mediului și a materialelor. Chiar dacă acestea sunt domenii larg disparate, principiile chimiei fizice sunt relevante pentru toți, inclusiv pentru științe biologice, precum și fizice și chimice. Aceasta este de fapt o știință extrem de multidisciplinară, tocmai pentru că principiile chimice pe care le studiază sunt relevante pentru toate sistemele biologice și chimice.