Doslovno postoje milijuni kemijskih spojeva. Načini na koje ti spojevi i njihovi sastojci reagiraju i međusobno djeluju vođeni su određenim fizikalnim principima koji objašnjavaju njihovo ponašanje. Stoga je fizikalna kemija temelj na kojemu počivaju sva druga područja kemije, a ta je znanost relevantna i za gotovo sva druga znanstvena područja. Fizikalnu kemiju obuhvaćaju četiri predmetna područja, uključujući termodinamiku, kvantnu kemiju, kemijsku kinetiku i statističku termodinamiku.
Termodinamika je nauka o pretvorbi energije u toplinu i rad. U ovom kontekstu, rad se definira kao energija koju prenosi sila; na primjer, udaranje lopte je oblik rada u kojem osoba koja udara loptu prenosi silu sa svoje noge na loptu, uzrokujući pomicanje lopte. Termodinamika također proučava načine na koje se proces pretvorbe može promijeniti promjenom varijabli kao što su tlak i temperatura unutar sustava.
Kvantna kemija je teorijska znanost koja opisuje kako se molekule vežu jedna za drugu primjenom principa kvantne teorije polja i kvantne mehanike. Ova načela opisuju kako se atomi i subatomske čestice ponašaju u različitim sustavima, a zauzvrat upravljaju ponašanjem molekula. Teoretski se svi kemijski sustavi mogu opisati pomoću kvantne kemije, ali u praksi se mogu točno istražiti samo vrlo jednostavni sustavi.
Kemijska kinetika proučava brzine kemijskih procesa. Brzina određenog kemijskog procesa jednostavno je brzina kojom se kemijska reakcija događa. Na primjer, usporedite brzinu oksidacije željeza, koja je vrlo spor proces, sa brzinom izgaranja goriva, što je proces u djeliću sekunde. Kemijska kinetika također proučava kako promjenjive varijable poput tlaka i temperature mijenjaju brzinu reakcije.
Ova tri aspekta fizikalne kemije povezana su četvrtim, koji se zove statistička termodinamika. Ovo područje se bavi distribucijom energije u kemijskim sustavima, a također povezuje mikroskopski i makroskopski svijet. Glavni cilj statističke termodinamike je tumačenje makroskopskih svojstava različitih vrsta tvari u odnosu na interakcije između njihovih sastavnih mikroskopskih molekula i čestica.
Kroz proučavanje ova četiri koncepta, moderna fizikalna kemija nastoji razumjeti složene kemijske probleme u kontekstu bioloških znanosti, znanosti o okolišu i materijalima. Iako su to vrlo različita područja, principi fizikalne kemije su relevantni za sve, uključujući biološke, kao i fizikalne i kemijske znanosti. Ovo je zapravo izrazito multidisciplinarna znanost, upravo zato što su kemijski principi koje proučava relevantni za sve biološke i kemijske sustave.