К термодинамике примыкает молекулярно-кинетическая теория. В ней моделируется поведение газа, замкнутого в некотором объёме. При этом учитывается корпускулярно-молекулярная структура газа, а молекулы рассматриваются как свободно движущиеся в пространстве. Одновременно вводится представление о том, что полная "живая сила" всех молекул (по терминологии Джоуля) обуславливает теплоту газового тела.
В рамках этой теории впервые в науке было использовано уровне-вое понимание системы и была предпринята попытка объяснить макрохарактеристики термодинамической системы с помощью микрохарактеристик. Здесь исходя из механической трактовки движения молекул показывается, что существует функциональная зависимость между давлением газа, его плотностью и суммарной кинетической энергией занимающих его объём молекул. Следствием такой зависимости является, в частности, хорошо известный закон Бойля-Мариотта. Рассматриваемая теория учитывает ряд сложных условий, влияющих на термопараметры системы:
- способность молекул совершать внутреннее движение;
- существование средней длины свободного пути молекулы;
- неравномерность распределения скоростей молекул.
Известно, что на первых этапах своего формирования молекулярно-кинетическая теория базировалась на общих методологических принципах механики. Процессы, протекающие в молекулярных системах, описывались сугубо с механических позиций. Более того, классики термодинамики пытались трактовать само учение о теплоте в качестве одного из разделов механической теории. Ярким проявлением этой тенденции были работы по обоснованию второго начала термодинамики, основанные на предположении о наличии некоторого механизма молекулярного движения и механике сил, действующих между молекулами. По такому пути двигался, например, Л. Больцман. Однако не кто-нибудь, а именно Л. Больцман, осознал невозможность полной аналогии в механическом и молекулярно-кинетическом описаниях системы. В последнем случае неизбежно привлечение понятий, выходящих за рамки механики. В число таких понятий входило, например, определение средней кинетической энергии в течение значительного промежутка времени. Полное осознание данного обстоятельства послужило основанием для характеристики законов кинетической теории как статистических /11/.
Изучение молекулярных систем показало, что из взаимодействий одного какого-либо уровня могут рождаться новые качественные особенности, характерные для больших совокупностей. Так, из хаотического движения молекул возникают закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого. При этом мы имеем дело с особым типом формирования состояния системы. Здесь наличие беспорядка на некотором элементном уровне обуславливает равновозможность всех направлений движения молекул в пространстве, а также одинаковую плотность газа в разных частях его замкнутого объёма (показано Р. Клаузиусом). А учёт таких параметров становится отправной точкой для применения новых способов моделирования молекулярной системы. В отношении последней признаётся, что начальные координаты и скорости молекул неизвестны. Тем не менее, можно установить статистические переходы от микропараметров к макропараметрам системы и на этом основании формулировать достаточно строгие выводы о поведении газа в целом.