Mesin uap mengubah panas menjadi kerja. Baterai mengubah energi kimia menjadi listrik. Kulkas memindahkan panas dari dingin ke panas. Termodinamika mempelajari transformasi-transformasi ini. Ini adalah cabang fisika dan kimia yang berurusan dengan energi, panas, kerja, dan entropi. Termodinamika tidak memperhatikan detail molekul. Yang diperhatikan adalah gambaran besarnya: energi apa yang tersedia, ke arah mana suatu proses akan berjalan, dan seberapa efisien proses tersebut.

Empat hukum membentuk bidang ini. Hukum nol mendefinisikan suhu dan kesetimbangan termal. Hukum pertama menyatakan bahwa energi kekal; energi dapat berubah bentuk tetapi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Hukum kedua menyatakan bahwa entropi total dari sistem terisolasi selalu meningkat; panas mengalir secara spontan dari panas ke dingin. Hukum ketiga menyatakan bahwa entropi kristal sempurna pada suhu nol mutlak adalah nol. Hukum-hukum ini bersifat empiris. Hukum-hukum ini belum pernah dilanggar.

Termodinamika memiliki banyak aplikasi. Ilmu ini merancang mesin, pembangkit listrik, dan sistem pendingin. Ia memprediksi apakah suatu reaksi kimia akan terjadi dan berapa banyak panas yang akan dilepaskan atau diserap. Ia menjelaskan mengapa beberapa proses bersifat spontan dan yang lainnya tidak. Termodinamika sangat penting dalam kimia, fisika, teknik, dan biologi.

Bidang ini dikembangkan pada abad ke-19 oleh Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius, dan William Thomson. Mereka mencoba memahami mesin uap. Pada akhirnya, mereka menghasilkan kerangka kerja yang berlaku untuk segala hal, mulai dari lubang hitam hingga sel hidup.