明确提出热现象是分子无规则运动的表现，并把机械能守恆定律应用到了分子运动的热现象中。1856年，提出了一个简单的气体动力论，他只考虑了分子的平动。1857年，克劳修斯提出一个更复杂的气体动力论，除了分子的平动，他还考虑了分子的转动和振动。他还引入了平均自由程的概念。1859年，麦克斯韦在克劳修斯工作的基础上，提出了分子麦克斯韦速度分布率。这是物理学史上第一个统计定律。 1871年，玻尔兹曼推广了麦克斯韦的工作，提出了麦克斯韦–玻尔兹曼分布。直到20世纪初，很多物理学家仍然认为原子只是假想，并非实在的。