열역학의 분야 중 하나로 열과 일의 상호간 변환을 거시적인 관점에서 이론적인 방법을 통해 연구하는 고전 열역학에서 실제 계 내부의 조건을 통해 통계적인 가능성을 연구하는 분야이다. 따라서 가능성, 확률 등과 연관되어 있다고 할 수 있다. 이는 미시세계를 탐구하여 확률론적인 입장을 가지는 양자역학과 비슷하다고 할 수 있다. 따라서 양자역학과 고전 열역학을 접목시킨 것을 통계 열역학이라고 하기도 한다. 분자들의 움직임을 통계적 관점에 따라 평균을 구하며, 이를 통해 열적인 현상이 발생할 확률을 예측한다.