Uma máquina a vapor converte calor em trabalho. Uma bateria converte energia química em eletricidade. Um frigorífico transfere calor do frio para o quente. A termodinâmica estuda estas transformações. É o ramo da física e da química que se ocupa da energia, do calor, do trabalho e da entropia. Ela não se preocupa com os detalhes das moléculas. Ela preocupa-se com o panorama geral: que energia está disponível, que direção um processo irá tomar e quão eficiente pode ser.

Quatro leis regem o campo. A lei zero define a temperatura e o equilíbrio térmico. A primeira lei refere que a energia se conserva; pode mudar de forma, mas não pode ser criada nem destruída. A segunda lei refere que a entropia total de um sistema isolado aumenta sempre; o calor flui espontaneamente do quente para o frio. A terceira lei afirma que a entropia de um cristal perfeito no zero absoluto é nula. Estas leis são empíricas. Nunca foram violadas.

A termodinâmica tem muitas aplicações. É utilizada no projeto de motores, centrais elétricas e sistemas de refrigeração. Prevê se ocorrerá uma reação química e quanto calor irá libertar ou absorver. Ela explica porque é que alguns processos são espontâneos e outros não. É essencial em química, física, engenharia e biologia.

O campo foi desenvolvido no século XIX por Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius e William Thomson. Estavam a tentar entender as máquinas a vapor. Acabaram por criar uma estrutura que se aplica a tudo, desde buracos negros a células vivas.