蒸気機関は熱を仕事に変換します。電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。冷蔵庫は熱を冷たい場所から温かい場所へ移動させます。熱力学はこれらの変換を研究する学問です。熱力学は、エネルギー、熱、仕事、エントロピーを扱う物理学と化学の一分野です。分子の細部には関心を持ちません。熱力学が関心を持つのは、利用可能なエネルギー、プロセスが進む方向、そしてその効率性といった、全体像です。

この分野は4つの法則によって規定されている。第0法則は温度と熱平衡を定義する。第1法則はエネルギー保存則であり、エネルギーは形を変えることはあっても、創造も破壊もされない。第2法則は孤立系の全エントロピーは常に増加し、熱は自発的に高温から低温へと流れることを述べている。第3法則は絶対零度における完全結晶のエントロピーはゼロであることを述べている。これらの法則は経験的なものであり、これまで破られたことはない。

熱力学には多くの応用分野があります。エンジン、発電所、冷凍システムの設計に用いられ、化学反応が起こるかどうか、またどれだけの熱が放出または吸収されるかを予測します。また、なぜ一部のプロセスは自発的に起こり、他のプロセスはそうでないのかを説明します。化学、物理学、工学、生物学において不可欠な学問です。

この分野は19世紀にサディ・カルノー、ジェームズ・プレスコット・ジュール、ルドルフ・クラウジウス、ウィリアム・トムソンによって開拓された。彼らは蒸気機関の仕組みを理解しようとしていたのだが、最終的にはブラックホールから生細胞まであらゆるものに適用できる枠組みを構築した。