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물리화학은 물질의 분류보다는 일반적인 상호작용과 변환에 관심을 가지는 분야이다. 즉 고전적인 물리화학에서는 모든 화학과정의 정량성을 측정 및 상호관련시켜 설명한다. 예를 들어 영국의 화학자 로버트 보일은 17세기에 실온에서 일정량의 기체 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다(PV=상수)는 사실을 발견했다. 이 등식은 1기압 이하의 실온에서 거의 모든 기체에 적용된다. 이러한 자연의 법칙을 발견·연구하는 것이 물리화학의 영역이다.

18세기경에 이루어진 화학체계에 대한 수학적 전개는 대부분 힘과 장(場)의 연속성에 기초를 두고 있었지만, 20세기에 화학반응은 원자와 분자구조의 양자역학적 모형으로 가장 잘 설명될 수 있음이 밝혀졌다. 이것에 관해 주로 연구하는 분야가 이론화학인데, 이론화학자들은 주로 컴퓨터를 사용해 복잡한 방정식을 푼다. 물리화학의 또다른 분야로는 화학반응속도를 측정하고 연구하는 반응속도론, 열과 화학 에너지의 상관관계를 다루는 화학열역학, 화학변화와 전류의 흐름과의 상관관계를 연구하는 전기화학 등이 있다.

최근에는 태양 에너지를 이용해 화학반응을 일으키는 장치 개발에 많은 관심을 쏟고 있는데, 이러한 장치가 개발될 경우 태양 에너지를 널리 이용할 수 있게 될 것이다. 물리화학의 분야 중에 물질자체보다는 물질의 일반적인 성질과 그들간의 상호작용에 관심을 갖는 분야도 있다. 광화학은 빛과 물질 간의 상호작용을 연구하는 분야이며, 표면화학은 주로 기기를 이용해 화학물질의 표면을 연구한다.