Toplinsko gibanje odnosi se na nasumična kretanja molekula, atoma, elektrona ili drugih subatomskih čestica. Za razliku od vidljivog svijeta oko nas, atomski svijet je u stalnom stanju kretanja na svim temperaturama iznad apsolutne nule. Toplinsko gibanje čestica raste s temperaturom tih čestica i regulirano je zakonima termodinamike.
Proučavanje toplinskog gibanja je proučavanje slučajnog gibanja čestica. Molekule, atomi i subatomske čestice ne ponašaju se na predvidljiv način. Za razliku od svijeta koji vidimo, ti sićušni komadići materije gotovo su uvijek u stalnom kretanju i ne slijede ista pravila kao veća tijela koja čine. Elektroni, na primjer, postoje u orbitalama oko jezgre atoma. Iako se točan položaj i gibanje elektrona ne mogu odrediti, postoji vjerojatnost da će se kretati unutar određenog prostora, poznatog kao orbitala.
Atomske čestice ostaju u stalnom kretanju na svim temperaturama iznad apsolutne nule. Apsolutna nula, također se naziva 0 stupnjeva Kelvina, jednaka je -459.67°F (-273.15°C). Ovo je najniža temperatura koja postoji jer odgovara temperaturi na kojoj se atomske čestice prestaju kretati.
Toplinsko gibanje čestice povezano je s temperaturom te čestice. Čestice na višim temperaturama pokazuju veće kretanje od onih na nižim temperaturama. To vrijedi za čestice u bilo kojem stanju tvari, uključujući plin, tekućinu, krutinu i plazmu. Iako su atomi u krutoj tvari bliži jedan od drugog od atoma u tekućini ili plinu, još uvijek postoji prostor za kretanje atoma.
Toplinsko gibanje atomskih čestica prvi je opisao fizičar Robert Brown. Kada je pod mikroskopom promatrao malu česticu, kao što je zrno peludi ili komadić prašine, Brown je primijetio da se čini da je čestica u stalnom kretanju ili uznemirenosti. Kretanje atoma oko male čestice uzrokuje da se atomi sudaraju s njom. To čini da se veća čestica kreće nasumično, baš kao što to čine atomske čestice. Ova vrsta gibanja se naziva Brownovo gibanje.
Toplinsko gibanje proučava se kroz termodinamiku, koja ima skup zakona koji upravljaju nasumičnim kretanjem čestica. Prvi zakon kaže da se materija i energija uvijek čuvaju. Drugi, pomalo paradoksalno, kaže da je povratak u prethodno energetsko stanje nemoguć jer dio energije bježi iz sustava i više se ne može koristiti. Treći kaže da se apsolutna nula ne može postići. Jednostavno rečeno, ovi zakoni znače da je gibanje nasumično gibanje koje nikada ne prestaje i uvijek se mijenja.