Materia w każdej ze swoich postaci – niezależnie od tego czy mamy do czynienia z bryłą stalową, kroplą wody czy powietrzem wypełniającym przestrzeń wentylowanego pomieszczenia – zbudowana jest z niewyobrażalnie małych cząstek elementarnych: atomów i molekuł. Cząstki te nie trwają w bezruchu, lecz uczestniczą w permanentnym, chaotycznym ruchu termicznym, który można rozłożyć na trzy składowe: ruch postępowy (translacyjny), ruch obrotowy wokół własnych osi oraz drgania wokół położeń równowagi. Kluczowym spostrzeżeniem, wyprowadzonym z kinetycznej teorii gazów i potwierdzonym doświadczalnie, jest fakt że średnia energia kinetyczna tego ruchu pozostaje w prostej proporcji do temperatury bezwzględnej układu, mierzonej w kelwinach. Innymi słowy – temperatura przestaje być abstrakcyjną wielkością fizyczną, a staje się bezpośrednim odzwierciedleniem intensywności mikroskopowego ruchu cząsteczek. Im wyższa temperatura, tym bardziej gwałtowny ruch molekularny, tym wyższa energia wewnętrzna substancji.
Oprócz ruchu, cząsteczki wzajemnie na siebie oddziałują poprzez siły krótkiego zasięgu, zwane siłami molekularnymi lub międzycząsteczkowymi. Gdy rozpatrujemy oddziaływania zachodzące pomiędzy cząsteczkami tej samej substancji, mówimy o siłach kohezji (spójności). To właśnie kohezja odpowiada za napięcie powierzchniowe wody – zjawisko tak dobrze znane w instalacjach wodociągowych i grzewczych – utrzymuje ciągłość słupa cieczy w przewodach i decyduje o integralności mechanicznej substancji. Wartość sił kohezji jest największa w ciałach stałych, gdzie cząsteczki są ściśle upakowane, wyraźnie mniejsza w cieczach, a w gazach praktycznie pomijalna ze względu na ogromne odległości między molekułami. Zupełnie innym rodzajem oddziaływania są siły adhezji (przylegania), które pojawiają się na styku dwóch różnych substancji i mają charakter czysto powierzchniowy. Wynikają one z oddziaływań van der Waalsa zachodzących w warstwie kontaktowej na granicy dwóch faz i odgrywają istotną rolę choćby przy zwilżaniu powierzchni rur czy osadzaniu się osadów na ściankach przewodów.
Stan skupienia konkretnej substancji wynika z konkurencji dwóch przeciwstawnych tendencji: dążenia cząsteczek do rozproszenia (napędzanego energią kinetyczną ruchu termicznego) oraz ich wzajemnego przyciągania (wynikającego z sił kohezji). W ciałach stałych siły kohezji zdecydowanie dominują nad energią kinetyczną – cząsteczki utrzymywane są w ściśle określonych pozycjach sieci krystalicznej lub amorfycznej struktury, drgając jedynie wokół położeń równowagi. Skutkiem tego ciała stałe zachowują niezmienne kształt i objętość, które można zmienić jedynie przez przyłożenie znaczącej siły zewnętrznej.
Gdy dostarczymy ciału stałemu odpowiednią ilość energii cieplnej, energia kinetyczna cząsteczek wzrośnie na tyle, by pokonać część wiązań utrzymujących strukturę – substancja przechodzi w stan ciekły. W cieczach odległości między cząsteczkami są nadal zbliżone do tych w ciele stałym, jednak molekuły nie są już przywiązane do stałych pozycji – mogą się swobodnie przemieszczać, „przeskakując” z jednego chwilowego miejsca pobytu do drugiego. To właśnie ta cecha decyduje o tym, że ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, zachowując jednocześnie stałą objętość i tworząc charakterystyczną płaską granicę z otaczającą atmosferą – swobodną powierzchnię, zwaną tradycyjnie zwierciadłem cieczy. Warto podkreślić, że ciecze wykazują wyjątkowo małą podatność na ściskanie: aby zmienić objętość wody o zaledwie 5%, należałoby przyłożyć ciśnienie przekraczające 1000 barów. Z tego powodu w zdecydowanej większości obliczeń inżynierskich ciecze traktuje się jako ośrodki nieściśliwe, co znacznie upraszcza aparat matematyczny stosowany w hydraulice i mechanice płynów.
Dalsze dostarczanie energii prowadzi do całkowitego rozbicia struktury ciekłej – cząsteczki uwalniają się od sił kohezji i rozpraszają swobodnie w całej dostępnej przestrzeni, przyjmując stan gazowy. Charakterystyczną cechą gazów jest kilkaset- do kilkutysiąckrotnie większa odległość między cząsteczkami w porównaniu z cieczami, co skutkuje praktycznym zanikiem wzajemnych oddziaływań molekularnych. Gaz nie ma własnego kształtu ani objętości – zawsze wypełnia całą przestrzeń dostępnego naczynia, nie tworząc żadnej swobodnej powierzchni i wykazując znaczną podatność na sprężanie. Ta właśnie ściśliwość stanowi fundamentalną różnicę między gazami a cieczami w ujęciu inżynierskim, decydując o konieczności stosowania odmiennych modeli obliczeniowych w instalacjach sprężonego powietrza, chłodniczych czy wentylacyjnych wysokociśnieniowych.
Stan skupienia danej substancji jest więc wypadkową bilansu energetycznego na poziomie molekularnym: im większa przewaga energii kinetycznej cząsteczek nad energią potencjalną sił kohezji, tym bardziej „swobodny” charakter substancji – od ciała stałego, przez ciecz, aż po gaz.
Opisując płyny z punktu widzenia mikroskopowego, wyróżniamy dwa kluczowe parametry charakteryzujące ruch molekularny. Pierwszym jest średnia droga swobodna cząsteczek l₀, rozumiana jako przeciętna odległość pokonywana przez molekułę pomiędzy dwoma kolejnymi zderzeniami z innymi cząsteczkami. Dla gazów w warunkach atmosferycznych wartość ta wynosi rzędu dziesiątek nanometrów, podczas gdy w cieczach jest o kilka rzędów wielkości mniejsza. Drugim parametrem jest średnia prędkość ruchu molekularnego, która – zgodnie z kinetyczną teorią gazów – rośnie wraz z temperaturą i maleje wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej molekuł.
W praktyce inżynierskiej operujemy jednak nie parametrami mikroskopowymi, lecz wielkościami makroskopowymi: ciśnieniem, gęstością i temperaturą. Ich stosowanie staje się możliwe dzięki przyjęciu modelu ośrodka ciągłego, który jest fundamentem klasycznej mechaniki płynów. W modelu tym rezygnujemy ze śledzenia ruchu poszczególnych molekuł – zamiast tego zakładamy, że płyn wypełnia przestrzeń w sposób nieprzerwany, a jego właściwości zmieniają się płynnie z punktu do punktu. Zasadność tego uproszczenia najlepiej ilustruje skala zagadnienia: w 1 mm³ wody mieści się około 3·10¹⁹ molekuł. Przy tak ogromnej liczbie cząsteczek uśrednione właściwości statystyczne ośrodka są doskonale stabilne nawet w objętościach wielu rzędów wielkości mniejszych niż typowe wymiary elementów instalacji.
Formalnym kryterium stosowalności modelu ośrodka ciągłego jest liczba Knudsena Kn, zdefiniowana jako iloraz średniej drogi swobodnej cząsteczek l₀ i charakterystycznego wymiaru liniowego rozpatrywanego przepływu L:Gdy liczba Knudsena jest znacznie mniejsza od jedności (w praktyce przyjmuje się Kn < 0,01 lub według bardziej liberalnych kryteriów Kn < 0,1), model ośrodka ciągłego jest w pełni uzasadniony i można bezpiecznie stosować równania klasycznej mechaniki płynów, w tym równania Naviera-Stokesa. Gdy natomiast Kn zbliża się do jedności lub ją przekracza, co zdarza się przykładowo w silnie rozrzedzonych gazach górnych warstw atmosfery, w przepływach w mikrokanałach lub w technologii próżniowej, hipoteza ciągłości przestaje obowiązywać i konieczne staje się sięgnięcie po narzędzia mechaniki statystycznej i dynamiki molekularnej.
W codziennej praktyce inżyniera środowiska – projektującego instalacje wentylacyjne, grzewcze, sanitarne czy klimatyzacyjne – liczba Knudsena jest tak mała, że jej wartość nigdy nie stanowi przedmiotu analizy. Wymiary charakterystyczne przepływu (średnice przewodów, wymiary kanałów) są o wiele rzędów wielkości większe niż drogi swobodne cząsteczek wody czy powietrza w warunkach roboczych. Klasyczna mechanika płynów pozostaje zatem w tym obszarze narzędziem w pełni wystarczającym, precyzyjnym i sprawdzonym przez dziesięciolecia praktyki inżynierskiej.