A água é uma substância que nos é familiar em seus três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Porém, muitas substâncias apresentam-se normalmente em apenas um estado. Enquanto o ferro, por exemplo, aparece no estado sólido, o oxigênio do ar, por sua vez, ocorre no estado gasoso, e para que mudem de estado é preciso mudar a sua temperatura. Assim, o oxigênio pode tornar-se líquido em temperaturas muito baixas, ou ficar sólido em temperaturas menores ainda. O ferro, por sua vez, exige temperaturas muito elevadas para passar ao estado líquido.

Veja uma ilustração do arranjo molecular da água em seus três estados

Essa diferença de comportamentos entre as diversas substâncias é explicada pela sua estrutura molecular. O estado físico da matéria depende da temperatura, portanto da energia cinética das moléculas, que está relacionada com a sua velocidade de vibração. Quanto mais rapidamente as moléculas vibram, maior a temperatura da substância, e vice-versa.

No estado sólido, as moléculas vibram em torno de uma posição de equilíbrio, ligadas umas às outras por grandes forças, constituindo um arranjo ordenado. Por isso, os sólidos têm forma definida, são duros e praticamente incompressíveis.

À medida que se aquece a substância, sua temperatura aumenta: as moléculas passam a vibrar com maior velocidade. Em determinado ponto (na temperatura de fusão) a energia cinética das moléculas é suficiente para romper as ligações: a substância passa ao estado líquido, apresentando um volume fixo (os líquidos são pouco compressíveis), mas sem forma definida. Nesse estado, as moléculas não vibram mais em torno de uma posição de equilíbrio; ao contrário, podem movimentar-se com grande liberdade. Quando puras, as substâncias mudam de estado a uma temperatura constante. A água, por exemplo, funde a 0ºC, permanecendo nessa temperatura até todo o gelo ficar líquido.

Continuando a fornecer-lhe calor, há uma temperatura determinada (100ºC no caso da água) em que ela entra em ebulição, passando ao estado gasoso, o estado de maior liberdade molecular. Por essa razão, os gases não possuem uma forma definida, são compressíveis e ocupam todo o espaço que lhes é concedido.