完全无风时，空气不存在宏观上的整体流动，但构成空气的分子仍有微观上的无规则运动，也就是“热运动”。我们熟知的温度就是表征热运动剧烈程度的物理量。
热运动是一种无规则运动，也就是说运动方向、速度大小都有随机性，但仍可用统计的方法来研究。空气主要由氮分子和氧分子组成，我们建立一个物理模型：分子视作质点（有质量的几何点），分子之间除弹性碰撞外无其他相互作用。
基于这个模型，如果空气处于热平衡，空气分子的热运动就有确定的统计规律。例如，分子热运动速度v的平均值为：
氮分子的质量比氧分子略小，因此氮分子的平均速度比氧分子大一些。气温为20℃时，用上式算出氮分子、氧分子热运动的平均速度分别为471m/s、440m/s，这是相当高的速度。这是否表示以这样的速度运动的空气分子可以迅速到达远处？
事实并不是这样。前面说过，分子之间存在碰撞。由于碰撞作用，分子热运动的路径是复杂的折线，实际离开初始位置的位移d比折线总长度要短。如下图所示，分子的热运动就像是“漫无目的”的游走。
现在我们就来探究“游走”的快慢，更准确地说是分子“游走”远离其初始位置的速度。我们把运动路径中每段折线标记为1、2、3……各自的长度都称为分子的自由程。
我们把每段折线都投影到空间直角坐标系的x、y、z轴，每段折线在x方向的投影长度记作x1、x2、x3……同理，在y、z方向的长度分别记作y1、y2、y3……和z1、z2、z3……那么d就满足：
分子热运动是一种无规则运动，d并没有确定的值，因此要借助统计方法。我们可以求d2的平均值。如果空气处于热平衡，x、y、z方向就没有区别，也就是说上式三个括号中的平均值都相等，可以证明括号中的平均值为(2/3)λ2，λ为平均自由程。氮分子和氧分子的λ相差不大，可取0.07微米（20℃，标准大气压下）。因此得到：
注意上面的平均值是按折线的段数（记为N）进行平均的，因此分子离开初始位置的位移就是上述平均值乘N再开方（式中使用了关系式N=平均速度×时间t÷λ）：
。有了这个公式，就可以进行计算了。取t为3600s（1小时），则对于氮分子d=49cm，氧分子d=47cm，也就是说一小时内，氮分子和氧分子约游走半米的距离。如果把时间拉长到1天，游走的距离也只有2米多；如果时间拉长到一年，分子也只能游走四十多米！分子仅靠热运动“走”到其他地方的速度慢得出奇。
现实中，空气的流动总是不可避免的，也就是说，分子在热运动上还叠加有宏观运动，因此分子从一个地方迁移到另一个地方的速度并不会这么慢。
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