Termodinamik, deneysel bir bilimdir ve deneylerle kazanılmış genellemelerden oluşan az sayıda temel ilkeye dayanır. Termodinamik, maddenin yalnızca makroskobik ya da büyük ölçekteki özellikleriyle ilgilenir, maddenin küçük ölçekteki ya da mikroskobik yapısına ilişkin varsayımlar geliştirmez. Termodinamiğin ilkelerinden yola çıkılarak, genleşme katsayısı, sıkışabilirlikler, özgül ısı sığaları, dönüşüm ısıları, dielektrik ve manyetik katsayılar gibi, özellikle de sıcaklığa bağlı incelikler arasında genel bağıntılar elde edilebilir. Ayrıca, termodinamiğin ilkeleri, sistemin tüm temel özelliklerini tam anlamıyla belirtmek için bu bağıntılardan en azından hangilerinin deneysel olarak belirlenmesi gerektiğini de söyler. Yukarıdakiler gibi niceliklerin gerçel büyüklükleri ancak moleküler bir modele dayanarak hesaplanabilir. Maddenin kinetik kuramı, bir sistemin tek tek moleküllerine mekaniğin yasalarını uygular ve örneğin, bir gazın özgül ısı sığasının sayısal değerinin hesaplanabilmesini ve gazların özelliklerinin moleküller arası kuvvet yasası cinsinden anlaşılmasını sağlar. İstatistik termodinamik yaklaşımı, bir sistemde molekülleri ayrı bireyler olarak düşünmeye gerek görmez ve istatistik düşünceleri uygulayarak, makroskobik bir madde parçası oluşturan çok sayıda molekülün sistemin enerji durumlarındaki dağılımını inceler. Enerji durumları Newton yasaları ya da kuantum fiziğinin yasaları uygulanarak hesaplanabilen sistemler için, yukarıda anılan niceliklerin gerek büyüklükleri gerekse de aralarındaki ilişkiler az çok belirlenebilir. İstatistik yöntemleri ayrıca, entropi kavramının ve entropinin artışı ilkesinin daha iyi anlaşılmasını sağlar.
