Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της ενέργειας, της θερμότητας και του έργου σε συστήματα. Ξεκίνησε τον 19ο αιώνα, λόγω της ανάγκης κατανόησης των ατμομηχανών. Έκτοτε έχει γίνει ένας από τους πιο θεμελιώδεις κλάδους της φυσικής. Η θερμοδυναμική βασίζεται σε τέσσερις νόμους. Ο μηδενικός νόμος ορίζει τη θερμοκρασία. Ο πρώτος νόμος είναι η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Ο δεύτερος νόμος λέει ότι η εντροπία τείνει να αυξάνεται. Ο τρίτος νόμος λέει ότι δεν μπορεί να επιτευχθεί το απόλυτο μηδέν. Μαζί, αυτοί οι νόμοι περιγράφουν πώς η ενέργεια κινείται και αλλάζει στα φυσικά συστήματα.

Η θερμοδυναμική δεν αφορά μόνο τους κινητήρες. Εφαρμόζεται στη χημεία, τη βιολογία, τη γεωλογία και την κοσμολογία. Εξηγεί γιατί η θερμότητα ρέει από το ζεστό στο κρύο, γιατί οι μηχανές αέναης κίνησης είναι αδύνατες και γιατί το σύμπαν τείνει προς την αταξία. Χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό σταθμών παραγωγής ενέργειας, ψυγείων και κλιματιστικών. Χρησιμοποιείται για την κατανόηση του μεταβολισμού των ζωντανών οργανισμών. Χρησιμοποιείται για τη μελέτη του πρώιμου σύμπαντος, όπου οι θερμοκρασίες ήταν ακραίες. Η θερμοδυναμική είναι μια μακροσκοπική θεωρία. Περιγράφει συστήματα με βάση την πίεση, τον όγκο, τη θερμοκρασία και την εντροπία, χωρίς αναφορά σε μεμονωμένα σωματίδια. Η στατιστική μηχανική συνδέει αυτές τις μακροσκοπικές ποσότητες με τη μικροσκοπική συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων.

Νόμοι της θερμοδυναμικής

• Μηδέν. Ορίζει τη θερμοκρασία.
• First. Η ενέργεια διατηρείται.
• Δεύτερον. Η εντροπία τείνει να αυξάνεται.
• Third. Το απόλυτο μηδέν είναι ανέφικτο.

Η θερμοδυναμική δεν είναι το ίδιο με τη στατιστική μηχανική. Η θερμοδυναμική είναι μακροσκοπική. Η στατιστική μηχανική είναι μικροσκοπική.