物理化学将我们经验到的宏观世界与原子和分子的微观领域联系起来，利用物理学的原理来理解化学现象。它研究控制化学系统的基本物理定律，包括能量、热力学、动力学和量子力学。物理化学家探索物质在原子和分子水平上的行为方式、化学反应如何以及以何种速率发生，以及能量和化学转化之间的相互作用。该领域为所有其他化学分支提供了理论框架，并支撑着材料科学、能源生产和纳米技术领域的许多技术进步。