Parní stroj přeměňuje teplo na práci. Baterie přeměňuje chemickou energii na elektřinu. Lednička přenáší teplo ze studeného do teplého prostředí. Termodynamika studuje tyto transformace. Je to odvětví fyziky a chemie, které se zabývá energií, teplem, prací a entropií. Nezajímá se o detaily molekul. Zajímá se o celkový obraz: jaká energie je k dispozici, jakým směrem se proces bude ubírat a jak efektivní může být.

Toto pole je definováno čtyřmi zákony. Nultý zákon definuje teplotu a tepelnou rovnováhu. První zákon říká, že energie je zachována; může měnit formu, ale nemůže být vytvářena ani ničena. Druhý zákon říká, že celková entropie izolovaného systému se vždy zvyšuje; teplo spontánně přechází z teplého do studeného. Třetí zákon říká, že entropie dokonalého krystalu v absolutní nule je nulová. Tyto zákony jsou empirické. Nikdy nebyly porušeny.

Termodynamika má mnoho aplikací. Navrhuje motory, elektrárny a chladicí systémy. Předpovídá, zda dojde k chemické reakci a kolik tepla se uvolní nebo absorbuje. Vysvětluje, proč některé procesy probíhají spontánně a jiné ne. Je nezbytná v chemii, fyzice, inženýrství a biologii.

Tuto oblast rozvinuli v 19. století Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius a William Thomson. Snažili se pochopit parní stroje. Nakonec dospěli k rámci, který lze použít na vše od černých děr až po živé buňky.