Toplotno gibanje se nanaša na naključna gibanja molekul, atomov, elektronov ali drugih subatomskih delcev. Za razliko od vidnega sveta okoli nas je atomski svet v stalnem gibanju pri vseh temperaturah nad absolutno ničlo. Toplotno gibanje delcev narašča s temperaturo teh delcev in ga urejajo zakoni termodinamike.
Študija toplotnega gibanja je študija naključnega gibanja delcev. Molekule, atomi in subatomski delci se ne obnašajo na predvidljiv način. Za razliko od sveta, ki ga vidimo, so ti drobni koščki snovi skoraj vedno v stalnem gibanju in ne sledijo istim pravilom kot večja telesa, ki jih sestavljajo. Elektroni, na primer, obstajajo v orbitalah okoli jedra atoma. Čeprav natančne lokacije in gibanja elektrona ni mogoče določiti, obstaja verjetnost, da se bodo premikali znotraj določenega prostora, znanega kot orbitala.
Atomski delci ostanejo v stalnem gibanju pri vseh temperaturah nad absolutno ničlo. Absolutna nič, imenovana tudi 0 stopinj Kelvina, je enaka -459.67 °F (-273.15 °C). To je najnižja temperatura, ki obstaja, ker ustreza temperaturi, pri kateri se atomski delci nehajo premikati.
Toplotno gibanje delca je povezano s temperaturo tega delca. Delci pri višjih temperaturah kažejo večje gibanje kot tisti pri nižjih temperaturah. To velja za delce v katerem koli stanju snovi, vključno s plinom, tekočino, trdno snovjo in plazmo. Čeprav so atomi v trdni snovi bližje kot atomi v tekočini ali plinu, je še vedno prostor za gibanje atomov.
Toplotno gibanje atomskih delcev je prvi opisal fizik Robert Brown. Ko je pod mikroskopom gledal majhen delček, kot je zrno cvetnega prahu ali košček prahu, je Brown opazil, da se zdi, da je delec v stalnem gibanju ali vznemirjenem. Gibanje atomov okoli majhnega delca povzroči, da se atomi zaletijo vanj. Zaradi tega se večji delec premika naključno, tako kot atomski delci. Ta vrsta gibanja se imenuje Brownovo gibanje.
Toplotno gibanje se preučuje s pomočjo termodinamike, ki ima niz zakonov, ki urejajo naključno gibanje delcev. Prvi zakon pravi, da se snov in energija vedno ohranjata. Druga, nekoliko paradoksalno, pravi, da je vrnitev v prejšnje energijsko stanje nemogoča, ker nekaj energije uide iz sistema in je ni mogoče nikoli več uporabiti. Tretji pravi, da absolutne ničle ni mogoče doseči. Preprosto povedano, ti zakoni pomenijo, da je gibanje naključno gibanje, ki se nikoli ne konča in se vedno spreminja.