يحوّل المحرك البخاري الحرارة إلى شغل. وتحوّل البطارية الطاقة الكيميائية إلى كهرباء. وينقل الثلاجة الحرارة من البرودة إلى السخونة. يدرس علم الديناميكا الحرارية هذه التحولات. وهو فرع من فروع الفيزياء والكيمياء يُعنى بالطاقة والحرارة والشغل والإنتروبيا. لا يهتم بتفاصيل الجزيئات، بل يهتم بالصورة الكلية: ما هي الطاقة المتاحة، وما هو مسار العملية، وما مدى كفاءتها.

تُشكّل أربعة قوانين إطارًا لهذا المجال. يُعرّف القانون الصفري درجة الحرارة والتوازن الحراري. ينص القانون الأول على أن الطاقة محفوظة؛ إذ يُمكنها أن تتغير من شكل إلى آخر، ولكن لا تُستحدث ولا تُفنى. ينص القانون الثاني على أن الإنتروبيا الكلية لنظام معزول تزداد دائمًا؛ فالحرارة تتدفق تلقائيًا من الساخن إلى البارد. ينص القانون الثالث على أن إنتروبيا البلورة المثالية عند الصفر المطلق تساوي صفرًا. هذه القوانين تجريبية، ولم تُنتهك قط.

للديناميكا الحرارية تطبيقات عديدة، فهي تُستخدم في تصميم المحركات ومحطات توليد الطاقة وأنظمة التبريد. كما أنها تتنبأ بحدوث التفاعلات الكيميائية وكمية الحرارة التي ستنطلق أو تُمتص. وتُفسر سبب كون بعض العمليات تلقائية وأخرى غير تلقائية. وهي أساسية في الكيمياء والفيزياء والهندسة وعلم الأحياء.

طُوّر هذا المجال في القرن التاسع عشر على يد سادي كارنو، وجيمس بريسكوت جول، ورودولف كلاوزيوس، وويليام طومسون. كانوا يحاولون فهم المحركات البخارية، وانتهى بهم الأمر إلى وضع إطار عمل ينطبق على كل شيء بدءًا من الثقوب السوداء وصولًا إلى الخلايا الحية.