Pengamatan yang diatur dan dijelaskan oleh fisika-kimia disintesis oleh hukum-hukum ilmiah. Hukum adalah ringkasan pengalaman. Jadi, ada, misalnya, hukum termodinamika, yang merupakan ringkasan hubungan antara sifat-sifat tertentu dan khususnya pengamatan transformasi energi. Ada juga hukum mekanika kuantum, yang menghubungkan pengamatan perilaku individu setiap partikel, molekul, atom, dan partikel subatom.
Langkah pertama dalam menetapkan hukum adalah mengajukan hipotesis, yang pada dasarnya adalah firasat berdasarkan konsep yang lebih mendasar. Hipotesis atom Dalton, yang berangkat untuk menentukan hukum yang mengatur komposisi atom, adalah contohnya.
Ketika hipotesis terbukti stabil, mungkin sebagai hasil dari keberhasilan dalam eksperimen yang diilhami atau oleh formulasi yang lebih rumit (juga dalam istilah matematika), ia dapat ditempatkan dalam konteks ilmiah yang lebih luas dan dipromosikan ke status teori.
Ada sejumlah besar teori fisika-kimia, seperti teori kesetimbangan kimia, struktur atom dan laju reaksi. Sebuah karakteristik fisika kimia (dan juga dalam bidang ilmu lainnya) adalah bahwa untuk mengembangkan teori, caral sistem yang mencoba untuk menggambarkan diadopsi .
Model adalah versi sederhana dari sistem yang berfokus pada esensi masalah. Setelah caral berhasil dibangun, itu diuji terhadap pengamatan yang diketahui dan berbagai eksperimen, caral itu bisa menjadi lebih canggih dan menggabungkan beberapa komplikasi yang diabaikan oleh caral aslinya.
Dengan demikian, caral memberikan pengamatan awal untuk diskusi dan realitas ditangkap sebagai konstruksi caral selesai. Contohnya adalah caral kinetik gas, di mana gas diperlakukan sebagai sekumpulan molekul yang bergerak tanpa henti dan acak.
Contoh lain adalah caral nuklir atom dan khususnya atom hidrogen, yang digunakan sebagai dasar untuk diskusi tentang struktur semua yang lain. Contoh ketiga yang sangat penting adalah gagasan tentang gas sempurna, yang merupakan caral ideal dari keadaan materi dalam bentuk gas. Model ini, yang juga merupakan titik awal untuk diskusi tentang gas nyata, adalah dasar dari banyak ekspresi termodinamika.
Juga diinginkan untuk mempertahankan bentuk persamaan matematika yang dikembangkan berdasarkan caral sederhana dalam pengembangan lebih lanjut. Keuntungan dari prosedur tersebut adalah bahwa penampilan berbagai persamaan dipertahankan dan mereka menjadi akrab.
Contoh dari jenis modifikasi ini adalah penggantian istilah konsentrasi untuk konsentrasi efektif yang disebut aktivitas dalam ekspresi termodinamika tertentu (seperti dalam konstanta kesetimbangan). Fisika kimia membantu membuat praktik ini cukup berguna untuk membangun hubungan antara konsentrasi efektif dan konsentrasi sebenarnya.