एक भाप इंजन ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करता है। एक बैटरी रासायनिक ऊर्जा को विद्युत में परिवर्तित करती है। एक रेफ्रिजरेटर ऊष्मा को ठंडे से गर्म की ओर स्थानांतरित करता है। ऊष्मागतिकी इन परिवर्तनों का अध्ययन करती है। यह भौतिकी और रसायन विज्ञान की वह शाखा है जो ऊर्जा, ऊष्मा, कार्य और एन्ट्रॉपी से संबंधित है। यह अणुओं के विवरण पर ध्यान नहीं देती। यह समग्र परिप्रेक्ष्य पर ध्यान केंद्रित करती है: उपलब्ध ऊर्जा क्या है, प्रक्रिया किस दिशा में आगे बढ़ेगी और यह कितनी कुशल हो सकती है।

चार नियम इस क्षेत्र को परिभाषित करते हैं। शून्य नियम तापमान और ऊष्मीय संतुलन को परिभाषित करता है। पहला नियम कहता है कि ऊर्जा संरक्षित रहती है; यह अपना रूप बदल सकती है लेकिन इसका सृजन या विनाश नहीं हो सकता। दूसरा नियम कहता है कि एक पृथक प्रणाली की कुल एन्ट्रॉपी हमेशा बढ़ती है; ऊष्मा स्वतः ही गर्म से ठंडे की ओर प्रवाहित होती है। तीसरा नियम कहता है कि परम शून्य तापमान पर एक पूर्ण क्रिस्टल की एन्ट्रॉपी शून्य होती है। ये नियम अनुभवजन्य हैं। इनका कभी उल्लंघन नहीं हुआ है।

ऊष्मागतिकी के अनेक अनुप्रयोग हैं। यह इंजन, विद्युत संयंत्र और प्रशीतन प्रणालियों के डिजाइन में सहायक है। यह भविष्यवाणी करता है कि कोई रासायनिक अभिक्रिया होगी या नहीं और वह कितनी ऊष्मा उत्सर्जित या अवशोषित करेगी। यह बताता है कि कुछ प्रक्रियाएँ स्वतःस्फूर्त क्यों होती हैं और अन्य क्यों नहीं। रसायन विज्ञान, भौतिक विज्ञान, अभियांत्रिकी और जीव विज्ञान में यह अत्यंत आवश्यक है।

इस क्षेत्र का विकास 19वीं शताब्दी में सादी कार्नोट, जेम्स प्रेस्कॉट जूल, रुडोल्फ क्लॉसियस और विलियम थॉमसन ने किया था। वे भाप इंजनों को समझने का प्रयास कर रहे थे। अंततः उन्होंने एक ऐसा ढांचा तैयार किया जो ब्लैक होल से लेकर जीवित कोशिकाओं तक हर चीज पर लागू होता है।