Una máquina de vapor transforma el calor en trabajo. Una batería transforma la energía química en electricidad. Un refrigerador transfiere el calor de un lugar frío a uno caliente. La termodinámica estudia estas transformaciones. Es la rama de la física y la química que se ocupa de la energía, el calor, el trabajo y la entropía. No se interesa por los detalles de las moléculas, sino por el panorama general: qué energía está disponible, qué dirección tomará un proceso y cuán eficiente puede ser.

Cuatro leyes rigen este campo. La ley cero define la temperatura y el equilibrio térmico. La primera ley establece que la energía se conserva; puede transformarse, pero no crearse ni destruirse. La segunda ley establece que la entropía total de un sistema aislado siempre aumenta; el calor fluye espontáneamente de lo caliente a lo frío. La tercera ley establece que la entropía de un cristal perfecto en el cero absoluto es cero. Estas leyes son empíricas y nunca se han infringido.

La termodinámica tiene numerosas aplicaciones. Se utiliza en el diseño de motores, centrales eléctricas y sistemas de refrigeración. Predice si se producirá una reacción química y cuánto calor liberará o absorberá. Explica por qué algunos procesos son espontáneos y otros no. Es fundamental en química, física, ingeniería y biología.

Este campo fue desarrollado en el siglo XIX por Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius y William Thomson. Su objetivo era comprender las máquinas de vapor. Finalmente, crearon un marco teórico aplicable a todo, desde agujeros negros hasta células vivas.