Silnik parowy zamienia ciepło na pracę. Akumulator zamienia energię chemiczną na energię elektryczną. Lodówka przenosi ciepło z zimnego do gorącego. Termodynamika bada te przemiany. Jest to dziedzina fizyki i chemii, która zajmuje się energią, ciepłem, pracą i entropią. Nie interesują ją szczegóły dotyczące cząsteczek. Interesuje ją szerszy obraz: jaka jest dostępna energia, w jakim kierunku będzie przebiegał proces i jak bardzo może być wydajny.

Cztery prawa regulują tę dziedzinę. Zerowe prawo definiuje temperaturę i równowagę termiczną. Pierwsze prawo głosi, że energia jest zachowana; może zmieniać formę, ale nie może być tworzona ani niszczona. Drugie prawo głosi, że całkowita entropia układu izolowanego zawsze rośnie; ciepło przepływa spontanicznie od gorącego do zimnego. Trzecie prawo głosi, że entropia idealnego kryształu w temperaturze zera absolutnego wynosi zero. Prawa te są empiryczne. Nigdy nie zostały naruszone.

Termodynamika ma wiele zastosowań. Projektuje silniki, elektrownie i systemy chłodnicze. Przewiduje, czy reakcja chemiczna zajdzie oraz ile ciepła zostanie uwolnione lub pochłonięte. Wyjaśnia, dlaczego niektóre procesy zachodzą spontanicznie, a inne nie. Jest niezbędna w chemii, fizyce, inżynierii i biologii.

Dziedzina ta została rozwinięta w XIX wieku przez Sadiego Carnota, Jamesa Prescotta Joule'a, Rudolfa Clausiusa i Williama Thomsona. Próbowali oni zrozumieć działanie silników parowych. W rezultacie opracowali ramy, które można zastosować do wszystkiego, od czarnych dziur po żywe komórki.