A ponte entre a mecânica estatística e a termodinâmica é estabelecida ao inserirmos a distribuição de Boltzmann na definição de entropia de Gibbs. Este processo revela como a flutuação de estados microscópicos gera o potencial de Helmholtz.
\[ S = -k_B \sum_i p_i \ln p_i \quad \text{onde} \quad p_i = \frac{e^{-\beta\varepsilon_i}}{Z} \]Substituindo \(\ln p_i = -\beta\varepsilon_i - \ln Z\):
\[ S = -k_B \sum_i p_i (-\beta\varepsilon_i - \ln Z) = k_B \beta \langle E \rangle + k_B \ln Z \]Identificando a energia interna \(U = \langle E \rangle\) e utilizando a definição termodinâmica da energia livre \(F = U - TS\), obtemos a equação-mestra do ensemble canônico:
\[ \boxed{F = -k_B T \ln Z} \]