Een stoommachine zet warmte om in arbeid. Een batterij zet chemische energie om in elektriciteit. Een koelkast verplaatst warmte van koud naar warm. Thermodynamica bestudeert deze transformaties. Het is de tak van de natuurkunde en scheikunde die zich bezighoudt met energie, warmte, arbeid en entropie. Het houdt zich niet bezig met de details van moleculen. Het gaat om het grote geheel: welke energie beschikbaar is, in welke richting een proces zal verlopen en hoe efficiënt het kan zijn.

Vier wetten vormen de basis van dit vakgebied. De nulde wet definieert temperatuur en thermisch evenwicht. De eerste wet stelt dat energie behouden blijft; energie kan van vorm veranderen, maar niet worden gecreëerd of vernietigd. De tweede wet stelt dat de totale entropie van een geïsoleerd systeem altijd toeneemt; warmte stroomt spontaan van warm naar koud. De derde wet stelt dat de entropie van een perfect kristal bij het absolute nulpunt nul is. Deze wetten zijn empirisch. Ze zijn nog nooit geschonden.

Thermodynamica kent vele toepassingen. Het wordt gebruikt bij het ontwerpen van motoren, energiecentrales en koelsystemen. Het voorspelt of een chemische reactie zal plaatsvinden en hoeveel warmte daarbij vrijkomt of wordt opgenomen. Het verklaart waarom sommige processen spontaan verlopen en andere niet. Het is essentieel in de chemie, natuurkunde, techniek en biologie.

Het vakgebied werd in de 19e eeuw ontwikkeld door Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius en William Thomson. Zij probeerden stoommachines te begrijpen. Uiteindelijk ontwikkelden ze een raamwerk dat toepasbaar is op alles, van zwarte gaten tot levende cellen.