Kelimenin tam anlamıyla milyonlarca kimyasal bileşik var. Bu bileşiklerin ve bileşenlerinin birbirleriyle reaksiyon gösterip birbirleriyle etkileşime girme şekilleri, davranışlarını açıklayan belirli fiziksel prensiplere tabidir. Fiziksel kimya bu nedenle diğer tüm kimya alanlarının dayandığı temeldir ve bu bilim aynı zamanda diğer tüm bilimsel alanlarla da ilgilidir. Fiziksel kimya, termodinamik, kuantum kimyası, kimyasal kinetik ve istatistiksel termodinamik olmak üzere dört konu alanı ile kaplıdır.
Termodinamik, enerjinin ısıya ve işe dönüştürülmesi çalışmasıdır. Bu bağlamda iş, bir kuvvet tarafından aktarılan enerji olarak tanımlanır; örneğin, bir topa vurmak, topa vuran kişinin topdan hareket etmesine neden olarak topu ayağa zorla transfer ettiği bir çalışma şeklidir. Termodinamik, bir sistemin içindeki basınç ve sıcaklık gibi değişkenleri değiştirerek dönüşüm işleminin değiştirilebileceği yolları da inceler.
Kuantum kimyası, moleküllerin kuantum alan teorisi ve kuantum mekaniği prensiplerini uygulayarak birbirine nasıl bağlandığını tanımlayan teorik bir bilimdir. Bu ilkeler atomların ve atom altı parçacıkların çeşitli sistemlerde nasıl davrandığını ve bunun sonucunda moleküllerin nasıl davrandığını açıklar. Teorik olarak tüm kimyasal sistemler kuantum kimyası kullanılarak tanımlanabilir, ancak pratikte sadece çok basit sistemler doğru bir şekilde incelenebilir.
Kimyasal kinetik, kimyasal işlemlerin oranlarını inceler. Belirli bir kimyasal işlemin oranı basitçe bir kimyasal reaksiyonun meydana gelme hızıdır. Örneğin, çok yavaş bir işlem olan demir oksidasyon oranını, bölünmüş saniyelik bir işlem olan yakıt yanma oranıyla karşılaştırın. Kimyasal kinetik ayrıca basınç ve sıcaklık gibi değişken değişkenlerin reaksiyonların meydana gelme hızını nasıl değiştirdiğini de inceler.
Fiziksel kimyanın bu üç yönü, istatistiksel termodinamik adı verilen dördüncü ile bağlantılıdır. Bu alan kimyasal sistemlerdeki enerji dağılımı ile ilgilidir ve aynı zamanda mikroskobik ve makroskobik dünyaları birbirine bağlar. İstatistiki termodinamiğin temel amacı, kurucu mikroskopik molekülleri ve parçacıkları arasındaki etkileşimlerle ilgili olarak çeşitli madde türlerinin makroskopik özelliklerini yorumlamaktır.
Bu dört kavramın incelenmesiyle, modern fiziksel kimya, biyolojik, çevresel ve malzeme bilimleri bağlamında karmaşık kimyasal problemleri anlamaya çalışır. Bunlar birbirinden oldukça farklı alanlara sahip olsalar da, fiziksel ve fiziksel bilimler de dahil olmak üzere biyolojik kimya da dahil olmak üzere fiziksel kimya ilkeleri herkesle ilgilidir. Bu aslında çok disiplinli bir bilimdir, çünkü araştırdığı kimyasal prensipler tüm biyolojik ve kimyasal sistemlerle ilgilidir.
