Tiesiogine prasme egzistuoja milijonai cheminių junginių. Būdus, kuriais šie junginiai ir jų sudedamosios dalys reaguoja ir sąveikauja vienas su kitu, lemia tam tikri fiziniai principai, paaiškinantys jų elgesį. Todėl fizikinė chemija yra pagrindas, ant kurio remiasi visos kitos chemijos sritys, o šis mokslas taip pat aktualus beveik visoms kitoms mokslo sritims. Fizinę chemiją apima keturios dalykinės sritys, įskaitant termodinamiką, kvantinę chemiją, cheminę kinetiką ir statistinę termodinamiką.
Termodinamika yra energijos pavertimo šiluma ir darbu tyrimas. Šiame kontekste darbas apibrėžiamas kaip jėgos perduodama energija; pavyzdžiui, kamuolio spardymas yra darbo forma, kai kamuolį spardantis asmuo perkelia jėgą iš savo pėdos į kamuolį, todėl kamuolys juda. Termodinamika taip pat tiria būdus, kuriais konversijos procesas gali būti pakeistas keičiant kintamuosius, tokius kaip slėgis ir temperatūra sistemoje.
Kvantinė chemija yra teorinis mokslas, aprašantis, kaip molekulės jungiasi viena su kita, taikant kvantinio lauko teorijos ir kvantinės mechanikos principus. Šie principai aprašo, kaip atomai ir subatominės dalelės elgiasi įvairiose sistemose, o savo ruožtu nustato, kaip elgiasi molekulės. Teoriškai visas chemines sistemas galima aprašyti naudojant kvantinę chemiją, tačiau praktiškai galima tiksliai ištirti tik labai paprastas sistemas.
Cheminė kinetika tiria cheminių procesų greitį. Tam tikro cheminio proceso greitis yra tiesiog greitis, kuriuo vyksta cheminė reakcija. Pavyzdžiui, palyginkite geležies oksidacijos greitį, kuris yra labai lėtas procesas, su kuro degimo greičiu, kuris yra sekundės dalis. Cheminė kinetika taip pat tiria, kaip besikeičiantys kintamieji, tokie kaip slėgis ir temperatūra, keičia reakcijų greitį.
Šiuos tris fizinės chemijos aspektus sieja ketvirtasis, vadinamas statistine termodinamika. Ši sritis susijusi su energijos paskirstymu cheminėse sistemose, taip pat susieja mikroskopinį ir makroskopinį pasaulius. Pagrindinis statistinės termodinamikos tikslas – interpretuoti įvairių tipų medžiagų makroskopines savybes, susijusias su jas sudarančių mikroskopinių molekulių ir dalelių sąveika.
Šiuolaikinė fizikinė chemija, tirdama šias keturias sąvokas, siekia suprasti sudėtingas chemines problemas biologijos, aplinkos ir medžiagų mokslų kontekste. Nors tai yra labai skirtingos sritys, fizikinės chemijos principai yra svarbūs visiems, įskaitant biologijos, fizinius ir chemijos mokslus. Tai iš tikrųjų yra labai daugiadisciplinis mokslas, nes jo tiriami cheminiai principai yra svarbūs visoms biologinėms ir cheminėms sistemoms.