증기기관은 열을 일로 변환합니다. 배터리는 화학 에너지를 전기로 변환합니다. 냉장고는 열을 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 이동시킵니다. 열역학은 이러한 변환 과정을 연구하는 학문입니다. 열역학은 에너지, 열, 일, 엔트로피를 다루는 물리학 및 화학의 한 분야입니다. 분자의 세부적인 구조에는 관심이 없습니다. 열역학은 전체적인 그림, 즉 이용 가능한 에너지의 양, 과정의 진행 방향, 그리고 그 효율에 관심을 둡니다.

열역학 분야는 네 가지 법칙으로 구성됩니다. 제0법칙은 온도와 열평형을 정의합니다. 제1법칙은 에너지가 보존된다는 것을 나타냅니다. 에너지는 형태는 변할 수 있지만 생성되거나 소멸될 수는 없습니다. 제2법칙은 고립계의 총 엔트로피는 항상 증가한다는 것을 나타냅니다. 즉, 열은 자연스럽게 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐릅니다. 제3법칙은 절대 영도에서 완전 결정의 엔트로피는 0이라는 것을 나타냅니다. 이 법칙들은 경험적으로 얻어진 것이며, 지금까지 한 번도 어긋난 적이 없습니다.

열역학은 다양한 분야에 응용됩니다. 엔진, 발전소, 냉동 시스템 설계에 활용되며, 화학 반응이 일어날지 여부와 반응으로 방출되거나 흡수되는 열의 양을 예측합니다. 또한 어떤 과정은 자발적으로 일어나고 어떤 과정은 그렇지 않은 이유를 설명합니다. 열역학은 화학, 물리학, 공학, 생물학 등 여러 분야에서 필수적인 학문입니다.

이 분야는 19세기에 사디 카르노, 제임스 프레스콧 줄, 루돌프 클라우지우스, 윌리엄 톰슨 등에 의해 발전되었습니다. 그들은 증기 기관을 이해하려고 노력했고, 그 결과 블랙홀부터 살아있는 세포에 이르기까지 모든 것에 적용할 수 있는 체계를 구축했습니다.