蒸汽機將熱能轉化為功。電池將化學能轉換為電能。冰箱將熱量從低溫傳遞到高溫。熱力學研究這些轉化過程。它是物理學和化學的一個分支，研究能量、熱、功和熵。它不關注分子的細節，而是關注整體：能量的可用性、過程的方向以及效率。

有四條定律構成了該領域的框架。第零定律定義了溫度和熱平衡。第一定律指出能量守恆；能量可以轉換形式，但不能被創造或消滅。第二定律指出孤立系統的總熵總是增加的；熱量自發性地從高溫物體流向低溫物體。第三定律指出完美晶體在絕對零度下的熵為零。這些定律是經驗性的，從未被違背過。

熱力學有著廣泛的應用。它用於設計引擎、發電廠和製冷系統。它能夠預測化學反應是否會發生以及會釋放或吸收多少熱量。它解釋了為什麼有些過程是自發性的，而有些過程則不是。熱力學在化學、物理、工程和生物學等領域都至關重要。

這個領域由薩迪·卡諾、詹姆斯·普雷斯科特·焦耳、魯道夫·克勞修斯和威廉·湯姆遜在19世紀發展起來。他們最初是為了理解蒸汽機，最終建立了一個適用於從黑洞到活細胞等一切事物的理論架構。