무수하게 존재하는 미시적 상태에 대해 그 실현 확률을 생각하고, 통계적으로 처리하면서, 이들 미시적 상태의 한 평균에서 거시적 물리량과 그들 사이의 법칙을 끌어내는 것이 통계 열역학이다. 거시적으로는 동일하게 보이는 계통도 그 안의 미시적 상태는 다양하며, 또 그 미시적 상태를 완전히 아는 일은 불가능하다. 예를 들면, 상온에서는 100 cm3의 기체에 1022개 이상의 분자가 포함되어 있고, 각각의 분자는 상호간 혹은 벽과 충돌을 반복하면서 운동 상태를 변화시킨다.