在1秒钟时间里，氢分子能在标准的400m跑道上跑5圈。
19世纪中期，蒸汽机在欧洲工业革命过程中得到广泛应用，由此产生了许多有关设计方面的问题，促使科学家从理论上加以进一步研究。
科学家在分析蒸汽机的热力学过程时发现，任何形式的功都能完全转化为热，但反过来就不是这样了。将热转变为功时，有一部分热是无法利用的，不可避免地要浪费掉。如要开动一台蒸汽机，只有当蒸汽的温度高于环境温度时，热才能转化为功。尽管在蒸汽凝结成的水里还有许多剩余的热，但它们却不能转变为功，而是被用来加热蒸汽机和周围的空气，克服活塞和汽缸的摩擦力等。实际上，在任何能量的转化过程中，都会有一些能量浪费掉。这些能量并未凭空消失，而是转化成了热，散失在周围环境中。
德国物理学家克劳修斯最先使用“熵”这个词来描述系统做功时，其中一些不可避免地要作为无用的热损失掉的能量。克劳修斯指出，在任何能量流动的过程中都会有一些损失，这使得宇宙的熵不断地增大。这就是“热力学第二定律”。
随着对物质的原子本性的了解，人们对热的本性终于有了更清楚的认识。瑞士科学家伯努利首次从分子的观点来解释气体的性质，提出组成气体的分子总是在不断地运动，互相碰撞，以及从容器壁弹回。此后，麦克斯韦和玻尔兹曼创立了气体分子运动论，将热看做是一种分子运动现象，即气体及液体分子的运动，或者固体分子的迅速振动。当固体被加热到一定温度，分子的振动强烈得足以打破相邻分子间的结合时，固体就熔化为液体。相邻分子间的结合越强，要打破这种结合就需要越多的热，因而这种固体的熔点就越高。物质处于液态时，分子可以自由地彼此相对移动。将液体进一步加热，分子的运动最终会激烈到使它们脱离液体，这时液体就沸腾了。液体分子间的相互作用力越强，沸点就越高。科学上将这种运动称为热运动。
气体的原子和分子总在不停地飞来飞去，这些原子和分子的速度各不相同，相差很大，描述它们的方法之一是统计学方法，例如运动速度大于某一指定速度的分子占多大比例，或者在某一条件下分子的速度。用来进行这种计算的公式是麦克斯韦和玻尔兹曼首先提出的，所以也被称为“麦克斯韦—玻尔兹曼定律”。
根据这个定律，在给定温度下，每一种粒子的平均速度与它的分子量的平方根成反比，因此可以算出，氧分子在室温下的平均热运动速度是500m/s，而氢分子的平均热运动速度是氧的4倍，即2000m/s。