Det finns bokstavligen miljontals kemiska föreningar. De sätt på vilka dessa föreningar och deras beståndsdelar reagerar och interagerar med varandra styrs av vissa fysiska principer som förklarar deras beteende. Fysikalisk kemi är därför grunden på vilken alla andra kemiområden vilar, och denna vetenskap är också relevant för praktiskt taget alla andra vetenskapsområden. Fysikalisk kemi omfattas av fyra ämnesområden, inklusive termodynamik, kvantkemi, kemisk kinetik och statistisk termodynamik.
Termodynamik är studiet av omvandlingen av energi till värme och arbete. I detta sammanhang definieras arbete som den energi som överförs av en kraft; till exempel är att sparka en boll en form av arbete där den som sparkar bollen överför kraft från sin fot till bollen, vilket får bollen att röra sig. Termodynamik studerar också sätt på vilka omvandlingsprocessen kan förändras genom att ändra variabler som tryck och temperatur inom ett system.
Kvantkemi är en teoretisk vetenskap som beskriver hur molekyler binder till varandra genom att tillämpa principer för kvantfältteori och kvantmekanik. Dessa principer beskriver hur atomer och subatomära partiklar beter sig i olika system, och styr i sin tur hur molekyler beter sig. Teoretiskt kan alla kemiska system beskrivas med hjälp av kvantkemi, men i praktiken kan endast mycket enkla system noggrant undersökas.
Kemisk kinetik studerar hastigheten för kemiska processer. Hastigheten för en given kemisk process är helt enkelt den hastighet med vilken en kemisk reaktion sker. Till exempel, kontrastera hastigheten för järnoxidation, som är en mycket långsam process, med hastigheten för bränsleförbränning, som är en process på en del av en sekund. Kemisk kinetik studerar också hur förändrade variabler som tryck och temperatur ändrar hastigheten med vilken reaktioner sker.
Dessa tre aspekter av fysikalisk kemi är sammanlänkade av en fjärde, som kallas statistisk termodynamik. Detta område handlar om energidistribution i kemiska system och kopplar också samman de mikroskopiska och makroskopiska världarna. Huvudmålet med statistisk termodynamik är att tolka makroskopiska egenskaper hos olika typer av materia i relation till interaktionerna mellan deras ingående mikroskopiska molekyler och partiklar.
Genom studiet av dessa fyra begrepp försöker modern fysikalisk kemi förstå komplexa kemiska problem i samband med biologiska, miljö- och materialvetenskaper. Även om dessa är vitt skilda områden, är principerna för fysikalisk kemi relevanta för alla, inklusive biologiska såväl som fysikaliska och kemiska vetenskaper. Detta är i själva verket en mycket mångvetenskaplig vetenskap, just för att de kemiska principer som den studerar är relevanta för alla biologiska och kemiska system.