Eine Dampfmaschine wandelt Wärme in Arbeit um. Eine Batterie wandelt chemische Energie in Elektrizität um. Ein Kühlschrank transportiert Wärme von kalt nach warm. Die Thermodynamik untersucht diese Umwandlungen. Sie ist der Teilbereich der Physik und Chemie, der sich mit Energie, Wärme, Arbeit und Entropie befasst. Sie interessiert sich nicht für die Details von Molekülen, sondern für das große Ganze: Welche Energie ist verfügbar, in welche Richtung verläuft ein Prozess und wie effizient kann er sein?

Vier Gesetze bilden den Rahmen dieses Gebiets. Das nullte Gesetz definiert Temperatur und thermisches Gleichgewicht. Das erste Gesetz besagt, dass Energie erhalten bleibt; sie kann ihre Form ändern, aber nicht erzeugt oder vernichtet werden. Das zweite Gesetz besagt, dass die Gesamtentropie eines abgeschlossenen Systems stets zunimmt; Wärme fließt spontan von warm nach kalt. Das dritte Gesetz besagt, dass die Entropie eines idealen Kristalls am absoluten Nullpunkt null ist. Diese Gesetze sind empirisch. Sie wurden noch nie verletzt.

Die Thermodynamik findet vielfältige Anwendung. Sie dient der Konstruktion von Motoren, Kraftwerken und Kälteanlagen. Sie sagt voraus, ob eine chemische Reaktion stattfindet und wie viel Wärme dabei freigesetzt oder aufgenommen wird. Sie erklärt, warum manche Prozesse spontan ablaufen und andere nicht. Sie ist unerlässlich in Chemie, Physik, Ingenieurwesen und Biologie.

Das Forschungsgebiet wurde im 19. Jahrhundert von Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius und William Thomson begründet. Sie versuchten, Dampfmaschinen zu verstehen. Am Ende entwickelten sie ein Rahmenwerk, das auf alles von Schwarzen Löchern bis hin zu lebenden Zellen anwendbar ist.