Une machine à vapeur transforme la chaleur en travail. Une pile transforme l'énergie chimique en électricité. Un réfrigérateur transfère la chaleur du froid vers le chaud. La thermodynamique étudie ces transformations. C'est la branche de la physique et de la chimie qui traite de l'énergie, de la chaleur, du travail et de l'entropie. Elle ne s'intéresse pas aux détails moléculaires, mais plutôt au fonctionnement global : l'énergie disponible, le sens d'évolution d'un processus et son rendement.

Quatre lois régissent ce domaine. La loi zéro définit la température et l'équilibre thermique. La première loi stipule que l'énergie se conserve ; elle peut se transformer mais ne peut être ni créée ni détruite. La deuxième loi stipule que l'entropie totale d'un système isolé augmente toujours ; la chaleur se propage spontanément du chaud vers le froid. La troisième loi stipule que l'entropie d'un cristal parfait au zéro absolu est nulle. Ces lois sont empiriques. Elles n'ont jamais été enfreintes.

La thermodynamique a de nombreuses applications. Elle permet de concevoir des moteurs, des centrales électriques et des systèmes de réfrigération. Elle permet de prédire si une réaction chimique aura lieu et quelle quantité de chaleur elle dégagera ou absorbera. Elle explique pourquoi certains processus sont spontanés et d'autres non. Elle est essentielle en chimie, en physique, en ingénierie et en biologie.

Ce domaine a été développé au XIXe siècle par Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius et William Thomson. Ils cherchaient à comprendre les machines à vapeur. Ils ont finalement élaboré un cadre théorique applicable à tout, des trous noirs aux cellules vivantes.