位格模型的示意图，其中阴影代表聚合物链、圆圈代表溶剂分子。
凝胶溶胀的热力学研究已经进行了多年。Gibbs和Biot提出了热力学理论，并引入了一些唯象自由能函数，但他们的工作并不是针对高分子凝胶。Flory及Huggins用了统计处理的方法计算了聚合物和溶剂分子混合时候的构型熵。Flory认为凝胶溶胀的吉布斯自由能由聚合物弹性网络的拉伸自由能和溶剂进入聚合物网络的吉布斯稀释自由能组成。在Flory的模型中，聚合物链和溶剂分子都排列在三维的格子中。溶剂分子可以任意占据一个空位，而各个聚合物链之间必须占据着相邻的位置。为了简化计算，Flory假设聚合物链的位置都是前后一个接一个，当聚合物链的位置安排好之后，剩下的就是溶剂分子的位置。当已经有N个聚合物链占据位置后，接下来第一个链可以放入任何一个空位置。接下来第二个链需要放入与前一个链相邻的Z个空位中。
Huggins 公式为:
Flory用这个公式表示以后所有的链段可以占据的位置数目，这意味着省去了由上一个链占据潜在空位的概率所造成的复杂性。因为聚合物链的任何一段都可以作为起点，因此，在任意温度下，Flory和Huggins得到的吉布斯稀释自由能形式上是一样的。Flory对凝胶溶胀热力学的处理是许多研究者定量预测平衡膨胀现象的基础。Hong等提出了水凝胶非均匀场溶胀变形的理论，分析了在非均匀场下的水凝胶溶胀需要平衡溶剂和外部载荷,为水凝胶的各向异性溶胀打下了基础。之后研究者也根据不同种类的水凝胶提出了具体的溶胀本构，如Cai等针对温敏水凝胶提出了适合的溶胀本构方程；Marcombe等提出适用于p H响应的水凝胶溶胀本构模型。
不同尺度下水凝胶的网络结构示意图
水凝胶溶胀的理论分析通常方便计算简单的溶胀行为，但在实际应用条件下水凝胶常常呈现出复杂的非线性大变形行为。因此，很多研究者基于本构模型开展数值模拟的方法来研究水凝胶的溶胀行为。Birgersson等人使用COMSOL软件进行了温度敏感凝胶的瞬态分析。
Zhang发展了凝胶中同时发生大变形和质量传递的瞬态分析有限元方法，并将理论植入ABAQUS软件中的用户子单元UEL进行数值模拟。Hong等人利用ABAQUS软件开发了适用于水凝胶溶胀的子程序UHYPER，并研究了水凝胶的非均匀溶胀。Marcombe等人也利用ABAQUS软件开发了适用于p H响应水凝胶的子程序。Cai等人通过修改Flory的模型，开发了适用于一种特定温敏水凝胶PNIPAm的有限元模型，并确定了模型中的参数。虽然水凝胶溶胀的理论模型已经开发了许多，但是绝大多数都是用来描述各向同性的溶胀行为。各向异性水凝胶溶胀的理论和数值计算还有待进一步开发。