O mașină cu aburi transformă căldura în lucru mecanic. O baterie transformă energia chimică în electricitate. Un frigider mută căldura de la rece la cald. Termodinamica studiază aceste transformări. Este ramura fizicii și chimiei care se ocupă de energie, căldură, lucru mecanic și entropie. Nu se preocupă de detaliile moleculelor. Se preocupă de imaginea de ansamblu: ce energie este disponibilă, în ce direcție va merge un proces și cât de eficient poate fi.

Patru legi stabilesc domeniul. Legea zero definește temperatura și echilibrul termic. Prima lege afirmă că energia se conservă; își poate schimba forma, dar nu poate fi creată sau distrusă. A doua lege afirmă că entropia totală a unui sistem izolat crește întotdeauna; căldura curge spontan de la cald la rece. A treia lege afirmă că entropia unui cristal perfect la zero absolut este zero. Aceste legi sunt empirice. Nu au fost niciodată încălcate.

Termodinamica are numeroase aplicații. Aceasta proiectează motoare, centrale electrice și sisteme de refrigerare. Prezice dacă va avea loc o reacție chimică și câtă căldură va elibera sau va absorbi. Explică de ce unele procese sunt spontane, iar altele nu. Este esențială în chimie, fizică, inginerie și biologie.

Domeniul a fost dezvoltat în secolul al XIX-lea de Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius și William Thomson. Aceștia încercau să înțeleagă motoarele cu aburi. Au ajuns la un cadru care se aplică la orice, de la găurile negre la celulele vii.