Fizikte enerji, bir cisime veya fiziksel bir sisteme aktarılan, işin performansında ve ısı ve ışık biçiminde tanınabilen niceliksel özelliktir. Enerji korunan bir miktardır; Enerjinin korunumu yasası, enerjinin istenen biçime dönüştürülebileceğini ancak yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir. Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) enerjinin ölçü birimi joule'dür (J).
Termodinamik; ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Bu süreçteki anahtar kavram, ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır.
Sıcaklık ya da suhunet, bir cismin sıcaklığının ya da soğukluğunun bir ölçüsüdür. Gazlar için kinetik enerji, mutlak sıcaklık dereceleriyle orantılıdır.
- Duyularla algılanmakta ve genellikle sıcak ya da soğuk terimleri ile ifade edilmektedir. Teknik olarak bu değerlendirme doğru değildir. İki cisim birbirine temas ettirildiğinde sıcak olan soğumakta soğuk olan ısınmakta ve belirli bir süre temas halinde kaldıklarında her ikisi de aynı sıcaklığa gelmektedir. Buradan yola çıkarak; sıcaklık, bir maddenin ısıl durumunu belirten ve ısı geçişine neden olan etken olarak tanımlanabilir.
- Termik denge halinde bulunmayan sistemle çevresini termik denge haline getirmeye zorlayan potansiyeldir. Termik denge sağlandıktan sonra bu potansiyel kalkmakta, sistemde çevresiyle aynı değeri almaktadır.
- Noktasal bir özelliktir.
- Enerjinin mikroskobik düzeydeki statik hâlidir.
- Bir maddenin ortalama hıza sahip herhangi bir molekülünün kinetik enerjisiyle doğru orantılı olan büyüklüğüne denir.
- Sıcaklık, genleşmeye bakılarak dolaylı yoldan ölçülebilir. Ölçümünde, termometre denilen cihaz kullanılmaktadır.
- Bir cismin, etrafına, kendiliğinden enerji verme eğiliminin bir ölçüsüdür. Enerji veren madde daha yüksek sıcaklıktadır.
Carnot çevrimi, Sadi Carnot tarafından 1820'lerde ortaya konmuş özel bir termodinamik çevrimdir ve Benoît Paul Émile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840'lı yıllarda geliştirilmiştir.
Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosestir. Günümüzde geçerli olan gaz akışkanlı güç çevrimleri içinde önemli bir yer tutar. Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egzoz gazlarının ikinci bir ısı değiştirgecinden geçtikten sonra içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir. İsmini, mucidi olan George Brayton’dan almıştır. Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir.
Entropi, fizikte bir sistemin mekanik işe çevrilemeyecek termal enerjisini temsil eden termodinamik terimidir. Çoğunlukla bir sistemdeki rastgelelik ve düzensizlik (kaos) olarak tanımlanır ve istatistikten teolojiye birçok alanda yararlanılır. Sembolü S'dir.
Termodinamiğin(Isıldevinimin) ikinci yasası, izole sistemlerin entropisinin asla azalamayacağını belirtir. Bunun sebebini izole sistemlerin termodinamik dengeden spontane olarak oluşmasıyla açıklar. Buna benzer olarak sürekli çalışan makinelerin ikinci kanunu imkânsızdır.
Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasadır. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.
Gibbs serbest enerjisi entalpiden, entropi ve mutlak sıcaklığın çarpımının çıkarılmasıyla elde edilen termodinamik bir değişkendir. Genel olarak kimyasal bir reaksiyonun enerji potansiyelinin işe dönüştürülebilmesiyle ilgilidir.
Esneklik enerjisi, bir maddenin veya fiziksel bir sistemin bünyesinde depolanan ve hacmini veya şeklini bozmak için gereken işin potansiyel mekanik enerjidir. Katı mekaniği önceleri, katı cisim ve maddenin anlaşılması için geliştirilmiş bilim dalıdır. Esneklik potansiyel enerjisi eşitliği, mekanik dengenin pozisyonunu hesaplamak için kullanılır. Enerji potansiyeldir ve kinetik enerji gibi başka enerji biçimlerine dönüştürülebilir. Eşitlik matematiksel olarak şöyle gösterilir
Termal enerji, ortam veya sistem sıcaklığı sonucunda ortamdaki veya sistemdeki bir cismin veya maddenin potansiyel ve kinetik enerjileri toplamını ifade eden bir enerji biçimidir. Sistemde sıcaklık olmadığı müddetçe bu niceliği tanımlamak zor ve hatta anlamsız olabilir. Bu durumda herhangi bir termal iş söz konusu değildir.
Enerji dönüşümü enerjinin bir biçimden diğerine dönüşümüdür. Fizikte enerji terimi bir sistemdeki belirli değişiklikleri oluşturma kapasitesini açıklar. Dönüşümde entropinin sınırlamaları göz ardı edilir. Sistemlerin toplam enerji dönüşümü, yalnızca enerjinin eklenmesi veya çıkarılması ile sağlanabilir. Termodinamiğin birinci kanununa göre enerji, dönüştürülebilen bir büyüklüktür. Bir sistemin toplam kütle miktarı, enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir sistemdeki enerji dönüştürülebildiğinden dolayı, farklı bir hale veya başka bir biçime dönüşebilir. Çoğu haldeki enerji, birçok fiziksel iş yapmak için kullanılabilir. Enerji doğal süreçler veya makinelerde kullanılabilir. Ayrıca ısı, ışık veya harekete dönüşebilir. Örneğin bir güneş pili, güneş ışınımını elektrik enerjisine dönüştürür ve böylece ampul yanar veya bilgisayara güç sağlanır.
Termodinamik ve istatistiksel fizik ile ilgili olayların kronolojisidir.
Fermi enerjisi, elektronların toplam kimyasal potansiyeli ya da elektrokimyasal potansiyeli olarak tanımlanır ve µ veya 
şeklinde gösterilir. Bir cismin Fermi seviyesi, bir termodinamik miktardır ve termodinamik iş, cisme bir elektron eklemeye ihtiyaç duyduğundan ötürü, Fermi seviyesi önemlidir. Fermi seviyesinin açık bir şekilde anlaşılması-elektronik özelliklerin belirlenmesinde Fermi seviyesinin elektronik bağ yapısı ile olan ilişkisi ve bir elektronik devrede Fermi seviyesinin voltaj ve yük akışı ile olan ilişkisi- katı hal fiziğinin anlaşılması için gereklidir.
Termodinamik'in üçüncü yasası bazen ‘mutlak sıfır sıcaklığında dengede olan sistemlerin özelliklerine ilişkin’ olarak şu şekilde tanımlanır:
Termal ve istatistiksel fizik felsefesinde, Brownian ratchet ya da Feynman-Smoluchowski ratchet 1912 tarihinde Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski tarafından analiz edilen ve 11 Mayıs 1962 tarihinde, Kaliforniya teknoloji enstitüsünde, Nobel Ödülü kazanmış Amerikan fizikçi Richard Feynman tarafından bilinir hale getirilen görünür devridaim makinedir. Bu basit makine küçük kısa kürekler ve mandallı çark içerir. Maxwell'in cini olarak görülse de, termal denge sistemindeki gelişigüzel dalgalanmadan işten kazanç sağlayabilmek için kullanılır. Termodinamiğin ikinci yasası ihlali, termal denge sistemindeki gelişigüzel dalgalanmayı kapsar. Detaylar Feynman ve diğerleri tarafından analiz edilmiş ve neden bunu yapamadığını göstermişlerdir.
İstatistiksel mekanik, entropinin yarı-klasik türevinde parçacıkların ayırt edilemezliklerini hesaba almaz, kapsamlı olmayan bir entropi ifadesi verir. Bu, Josiah Willard Gibbs'den sonra, Gibbs paradoksu olarak bilinen bir paradoksa yol açar. Paradoks kapalı sistemlerin entropisini azaltmak için termodinamiğin ikinci yasasını ihlale izin verir. Konuyla ilgili bir paradoks da "karıştırma paradoks" udur. Eğer entropi tanımının parçacık permütasyonu göz ardı edilerek değiştirilmesi gerektiğini göz önüne alırsak, paradoks önlenir.
Termodinamiğin tarihi fizik tarihinde, kimya tarihinde ve genel olarak bilimin tarihinde temel bir aşamadır. Bilim ve teknolojinin birçok yerinde termodinamiğin bağıntısı sebebiyle, termodinamiğin tarihi klasik mekanik, kuantum mekaniği, manyetizma ve kimyasal hız bilimin gelişimi ile ince bir biçimde dokunmuştur ve meteoroloji, bilgi teorisi ve biyoloji, fizyoloji gibi daha uzak pratik alanlara ve buhar makinesi, iç yakımlı makine, kriyojeni ve elektrik üretimi gibi teknolojik gelişmelerle de bağlantılıdır. Termodinamiğin gelişmesi atom teorisi tarafından sürdü ve sürdürüldü. Ayrıca, ustaca bir yaklaşımla, olasılık ve istatistikte yeni yönleri harekete geçirdi.
Termodinamik serbest enerji, mühendislik ve bilimdeki kimyasal veya termal süreçlerin termodinamiğinde kullanılan bir kavramdır. Serbest enerjideki değişim, bir termodinamik sistemin sabit sıcaklıktaki bir süreçte yapabileceği maksimum iş miktarıdır ve işareti, işlemin termodinamik olarak uygun mu yoksa yasak mı olduğunu gösterir. Serbest enerji genellikle potansiyel enerji içerdiğinden mutlak değildir ve bu nedenle sıfır noktası seçimine bağlıdır. Bu nedenle yalnızca bağıl serbest enerji değerleri veya serbest enerjideki değişimler fiziksel olarak anlamlıdır.
