Mekanika statistika
Sebagai contoh dari sudut pandang termodinamika klasik, orang mungkin bertanya apa itu sebuah sistem termodinamika dari molekul-molekul gas, seperti ammonia NH3 yang menentukan karakteristik energi bebas dari senyawa tersebut? termodinamika klasik tidak memberikan jawaban tersebut. Apabila kita diberikan data spektroskopi dari kumpulan molekul-molekul gas, seperti panjang ikatan, sudut ikatan, rotasi ikatan dan fleksibilitas dari ikatan-ikatan dalam NH3, kita akan melihat bahwa energi bebas tidak lain adalah hal-hal tersebut. Untuk membuktikan kebenaran ini, kita perlu menjembatani pemisah antara bidang mikroskopik dari atom-atom dan molekul-molekul dan bidang makroskopik dari termodinamika klasik. Dari fisika, mekanika statistik menyediakan semacam jembatan dengan mengajarkan kita bagaimana untuk memahami sistem termodinamika sebagai suatu kesatuan dari banyak unit. Secara lebih spesifik hal tersebut menunjukkan bagaimana parameter-parameter termodinamika dari suatu sistem, seperti temperatur dan tekanan dapat diinterpretasikan dalam hubungan parameter-parameter deskriptif dari elemen utama atom-atom dan molekul-molekul.
Fungsi partisi (mekanika statistika)
Terdapat beberapa jenis fungsi partisi, masing-masing berhubungan dengan jenis ensembel statistika atau energi bebas yang berbeda. Fungsi partisi kanonik diaplikasikan pada ensembel kanonik, di mana sistem dapat mempertukarkan panas dengan lingkungan pada suhu, volum, dan jumlah partikel tetap. Fungsi partisi kanonik besar diaplikasikan pada ensembel kanonik besar, di mana sistem dapat mempertukarkan panas maupun partikel dengan lingkungan pada suhu, volum, dan potensial kimia tetap. Jenis lain dari fungsi partisi dapat didefinisikan untuk masing-masing keadaan yang berbeda.
Sebagai asumsi awal, dibuat sebuah sistem yang besar secara termodinamika yang memiliki kontak yang konstan secara termal dengan lingkungan, dengan suhu "T", serta dengan volum dan jumlah partikel tetap. Jenis sistem tersebut disebut ensembel kanonik. Mari kita tandai dengan  "s"  ( "s" = 1, 2, 3, ...) sebagai keadaan "eksak" (keadaan mikro) yang dapat terpenuhi oleh sistem. Energi total sistem ketika keadaan mikro "s" terpenuhi kita sebut sebagai  "E" . Secara umum, keadaan mikro dapat dikatakan analog dengan keadaan diskrit (kuantum) suatu sistem.