Паровой двигатель преобразует тепло в работу. Батарея преобразует химическую энергию в электричество. Холодильник перемещает тепло из холодного состояния в горячее. Термодинамика изучает эти преобразования. Это раздел физики и химии, который занимается энергией, теплом, работой и энтропией. Она не интересуется деталями молекул. Ее интересует общая картина: какая энергия доступна, в каком направлении будет развиваться процесс и насколько эффективным он может быть.

В этой области действуют четыре закона. Нулевой закон определяет температуру и тепловое равновесие. Первый закон гласит, что энергия сохраняется; она может изменять форму, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон гласит, что полная энтропия изолированной системы всегда возрастает; тепло самопроизвольно перетекает от горячего к холодному. Третий закон гласит, что энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Эти законы являются эмпирическими. Они никогда не нарушались.

Термодинамика имеет множество применений. Она используется при проектировании двигателей, электростанций и холодильных систем. Она позволяет предсказать, произойдет ли химическая реакция и сколько тепла она выделит или поглотит. Она объясняет, почему одни процессы являются самопроизвольными, а другие — нет. Термодинамика необходима в химии, физике, технике и биологии.

Эта область науки была разработана в XIX веке Сади Карно, Джеймсом Прескоттом Джоулем, Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном. Они пытались понять принцип работы паровых двигателей. В итоге они создали концепцию, применимую ко всему, от черных дыр до живых клеток.