Μια ατμομηχανή μετατρέπει τη θερμότητα σε έργο. Μια μπαταρία μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα ψυγείο μεταφέρει τη θερμότητα από το κρύο στο ζεστό. Η θερμοδυναμική μελετά αυτούς τους μετασχηματισμούς. Είναι ο κλάδος της φυσικής και της χημείας που ασχολείται με την ενέργεια, τη θερμότητα, το έργο και την εντροπία. Δεν ενδιαφέρεται για τις λεπτομέρειες των μορίων. Ενδιαφέρεται για τη συνολική εικόνα: ποια ενέργεια είναι διαθέσιμη, προς ποια κατεύθυνση θα κινηθεί μια διαδικασία και πόσο αποτελεσματική μπορεί να είναι.

Τέσσερις νόμοι ορίζουν το πεδίο. Ο μηδενικός νόμος ορίζει τη θερμοκρασία και τη θερμική ισορροπία. Ο πρώτος νόμος δηλώνει ότι η ενέργεια διατηρείται. Μπορεί να αλλάξει μορφή αλλά όχι να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Ο δεύτερος νόμος δηλώνει ότι η συνολική εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος αυξάνεται πάντα. Η θερμότητα ρέει αυθόρμητα από το θερμό στο ψυχρό. Ο τρίτος νόμος δηλώνει ότι η εντροπία ενός τέλειου κρυστάλλου στο απόλυτο μηδέν είναι μηδέν. Αυτοί οι νόμοι είναι εμπειρικοί. Δεν έχουν ποτέ παραβιαστεί.

Η θερμοδυναμική έχει πολλές εφαρμογές. Σχεδιάζει κινητήρες, σταθμούς παραγωγής ενέργειας και συστήματα ψύξης. Προβλέπει εάν θα συμβεί μια χημική αντίδραση και πόση θερμότητα θα απελευθερώσει ή θα απορροφήσει. Εξηγεί γιατί ορισμένες διεργασίες είναι αυθόρμητες και άλλες όχι. Είναι απαραίτητη στη χημεία, τη φυσική, τη μηχανική και τη βιολογία.

Ο τομέας αυτός αναπτύχθηκε τον 19ο αιώνα από τους Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius και William Thomson. Προσπαθούσαν να κατανοήσουν τις ατμομηχανές. Κατέληξαν σε ένα πλαίσιο που εφαρμόζεται σε όλα, από τις μαύρες τρύπες μέχρι τα ζωντανά κύτταρα.