Iniziamo il nostro viaggio pensando alla materia. La classificazione più immediata della materia è quella che individua i tre stati di aggregazione, aeriforme, liquido e solido.
I tre stati sono riconoscibili in base al comportamento che la materia manifesta quando è racchiusa in un recipiente (sistema):
Aeriforme: un fluido in grado di riempire il recipiente in cui si trova
Liquido: un fluido che tende a riempire la parte inferiore (in presenza di un campo gravitazionale) del recipiente in cui si trova
Solido: lo stato nel quale la materia ha forma indipendente dal recipiente che occupa
Uno degli scopi della chimica fisica consiste nello stabilire una correlazione tra le proprietà macroscopiche della materia ed il comportamento delle particelle (atomi, ioni o molecole) che la costituiscono.
Il chimico fisico cerca di elaborare una immagine chiara di ogni stato della materia:
Un aeriforme è composto di particelle in moto incessante, veloce e caotico. Una particella copre distanze dell'ordine di alcuni diametri prima di collidere con un'altra molecola e per la maggior parte del tempo, le particelle sono così distanti da interagire solo debolmente. L'immagine è quella di un caos irrequieto:
Un liquido è composto da particelle che si trovano a contatto ma che sono, ancora, in grado, se pur in modo contenuto di muoversi rispetto alle altre. Le particelle sono animate da moto continuo. L'immagine predominante è quella del moto di particelle che si pigiano l'una all'altra:
Un solido è costituito da particelle a contatto reciproco impossibilitate a muoversi le une rispetto alle altre. Pur oscillando rispetto ad una posizione media, le particelle si possono considerare fisse nelle rispettive posizioni. L'immagine predominante è quella di particelle disposte con regolarità:
La differenza sostanziale fra tre stati della materia si riduce alla libertà che le particelle hanno di muoversi le une rispetto alle altre.