Dem Ziel der Berechnung makroskopischer Eigenschaften von Systemen mit sehr vielen Teilchen auf der Basis des mikroskopischen Aufbaus der Materie dient die statistische Mechanik. Angelpunkt ist das Konzept der statistischen Gesamtheit: anstelle des tatsächlich vorliegenden Systems betrachtet man eine große Anzahl von Kopien dieses Systems, die sich in allen möglichen Zuständen befinden können, welche die vorgegebenen makroskopischen Bedingungen (z. B. konstante Gesamtenergie für ein abgeschlossenes System) erfüllen. Eine statistische Geamtheit ist dann charakterisiert durch die Angabe der Wahrscheinlichkeiten, mit der die mit den makroskopischen Bedingungen verträglichen Zustände (oft auch Mikrozustände genannt) in der Gesamtheit vertreten sind. Makroskopische Eigenschaften, die eine zeitliche und räumliche Mittelung über das betrachtete System implizieren, werden dann als Mittelwerte über die statistische Gesamtheit verstanden. Das Konzept der statistischen Gesamtheit setzt zusammen mit den klassischen Bewegungsgleichungen den Rahmen der klassischen statistischen Mechanik.