Động cơ hơi nước chuyển hóa nhiệt năng thành công năng. Pin chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng. Tủ lạnh truyền nhiệt từ nơi lạnh sang nơi nóng. Nhiệt động lực học nghiên cứu những sự chuyển đổi này. Nó là nhánh của vật lý và hóa học nghiên cứu về năng lượng, nhiệt, công và entropy. Nó không quan tâm đến chi tiết của các phân tử. Nó quan tâm đến bức tranh tổng thể: năng lượng có sẵn là bao nhiêu, quá trình sẽ diễn ra theo hướng nào và hiệu quả của nó ra sao.

Bốn định luật cơ bản chi phối lĩnh vực này. Định luật thứ không định nghĩa nhiệt độ và trạng thái cân bằng nhiệt. Định luật thứ nhất phát biểu rằng năng lượng được bảo toàn; nó có thể thay đổi hình thức nhưng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy. Định luật thứ hai phát biểu rằng tổng entropy của một hệ cô lập luôn tăng lên; nhiệt tự động truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh. Định luật thứ ba phát biểu rằng entropy của một tinh thể hoàn hảo ở nhiệt độ tuyệt đối bằng không. Những định luật này dựa trên kinh nghiệm. Chúng chưa bao giờ bị vi phạm.

Nhiệt động lực học có rất nhiều ứng dụng. Nó được dùng để thiết kế động cơ, nhà máy điện và hệ thống làm lạnh. Nó dự đoán liệu một phản ứng hóa học có xảy ra hay không và lượng nhiệt mà phản ứng đó sẽ giải phóng hoặc hấp thụ. Nó giải thích tại sao một số quá trình diễn ra tự phát và một số khác thì không. Nó rất cần thiết trong hóa học, vật lý, kỹ thuật và sinh học.

Lĩnh vực này được phát triển vào thế kỷ 19 bởi Sadi Carnot, James Prescott Joule, Rudolf Clausius và William Thomson. Họ đang cố gắng tìm hiểu về động cơ hơi nước. Cuối cùng, họ đã tạo ra một khuôn khổ có thể áp dụng cho mọi thứ, từ lỗ đen đến tế bào sống.