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.
Kelvin, Uluslararası Birim Sistemi'ne göre temel sıcaklık ölçüsü birimi. Sembolü K'dir. İsmini, termodinamikteki mutlak sıfır kavramını ilk defa gazlardan tüm maddelere uygulayan İskoç asıllı bilim insanı Lord Kelvin'den alır.
Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle geçen enerjidir. Isı, parçacıkların 40.000-400.000 hz./s titreşmesi ile oluşur. Isı da iş gibi bir enerji akışı biçimidir. Isı sistem sınırlarında ve geçiş durumunda iken belirlenebilir. Isı sistemin bir durum fonksiyonu değildir.
Fiziksel kimya, organik ya da inorganik, yalın ya da karışım halindeki kimyasal sistemleri fizik yasaları yöntemleriyle inceleyen bilim dalı.
Termodinamik çevrim, bir veya daha çok hal değişimi gerçekleştiren, iş veya enerji üreterek veya enerjiyi transfer ederek ilk haline dönen bir çalışma akışkanı içeren çevrimlerdir. Tabloda termodinamik çevrimlerin listesi verilmiştir.
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.
Termodinamikte bir termodinamik sistem, ısıl denge, mekanik denge, radyasyon dengesi ve kimyasal dengede olduğunda, sistem termodinamik dengededir ve cisimler arası net ısı aktarımının sıfırdır. Termodinamik dengede bulundukları ortak bir cisim bulunan iki cisim birbirleriyle de dengededir şeklinde genişletilip termodinamiğin sıfırıncı kanunu oluşturulmuştur. Homojen bir cisim tek başına söz konusu olduğunda cismin sıcaklık gradyanın her noktasında sıfır olması demektir.
Ekserji, Termodinamik bir sistemin ihtiva ettiği potansiyel enerjisinin, herhangi bir referans haline göre kullanılabilirliğinin bir göstergesidir. Ekserji tersinir bir süreç sonucunda sistem çevre ile denge sağladığı takdirde, oluşan entropi sonucu kullanılamaz hale gelen enerji düşüldükten sonra, teorik olarak elde edilebilecek maksimum faydalı iş miktarı olarak da tanımlanabilir. Sistem enerjetiğinde ise ekserji entropiden arındırılmış enerji olarak tanımlanır.
İstatistik mekanik, büyük popülasyonları çözümlemekte matematiği kullanan olasılık teorisinin, kuvvete maruz kalan nesnelerin veya parçacıkların hareketiyle ilgilenen mekaniğe (mekanik) uygulamasıdır.
Hâl denklemi, fizik ve termodinamikte hâl değişkenleri arasındaki bir ilişkidir. Daha spesifik olarak hâl denklemi belirli fiziksel koşullar altında bir maddenin hâlini belirten termodinamik bir denklemdir. Maddenin sıcaklık, basınç, hacim ve iç enerjisiyle alakalı iki veya daha fazla hâl fonksiyonu arasında bağ kuran yapıcı bir denklemdir. Hâl denklemleri sıvıların, sıvı karışımlarının, katıların ve hatta yıldızların içlerini açıklamada da kullanılır
Termodinamikte hal fonksiyonu, maddenin bulunduğu hale nasıl ulaştığını değil maddenin o andaki hali ile ilgili olan bir özelliktir. Bir hal fonksiyonu sistemin denge halini açıklar. Örneğin; iç enerji, entalpi, entropi hal değerleridir çünkü termodinamik sistemlerde değerlenebilir olarak bir denge açıklarlar. Aynı zamanda mekanik iş ve ısı yöntem değerleridir çünkü değerlenebilir olarak termodinamik sistemlerde denge sistemleri arasında geçişleri açıklarlar.
Termodinamikte, geri döndürülemez olan işlemlere tersinmez denir. Termodinamiğin bu bakış açısına göre, doğal olan bütün işlemler tersinmezdir. Tersinmezlik olgusu, bir termodinamik sistemde etkilenen moleküller başka bir termodinamik sisteme aktarılsa bile, yeni termodinamik sistemdeki atom ve moleküllerin diziliş ve düzenlerinin eski termodinamik sistemdekinden farklı olması nedeniyle oluşmaktadır. Belirli bir miktarda "dönüşüm enerjisi","çalışan cisim" molekülleri bir halden başka bir hale geçerken birbirleri üzerinde iş yaptıkları için harcanmalıdır. Bu dönüşüm esnasında belirli bir miktar ısı enerjisi moleküller arası sürtünme ve çarpışmalar nedeniyle kaybedilecek veya dağılacaktır. Bu enerji işlem ters çevirildiğinde geri kazanılabilir olmayacaktır. Bu durum Rudolf Clausius tarafından "Termodinamik süreçte kullanılabilir olmayan bir miktar ısı vardır." şeklinde ifade edilmiştir.
Julius Robert von Mayer termodinamiğin kurucularından biri olarak kabul edilen Alman doktor ve fizikçisidir. Mayer, 1841'de ifade ettiği, günümüzde termodinamiğin birinci yasası olarak bilinen enerjinin korunumu yasası ile tanınmıştır. Bu ifade enerjinin korunumu yasasının ilk ifadelerindendir ve şu şekilde özetlenebilir:
Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasadır. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.
Dengesizlik termodinamiği, termodinamik dengede olmayan termodinamik sistem ile ilgili termodinamiğin bir koludur. Doğadaki sistemlerin çoğu, termodinamik dengede değildir. Sistemler dengesi zamanla değişir veya değiştirilirler. Bu değişim sürekli veya süreksiz olarak başka sistemlere kayar veya kimyasal tepkimeye girer. Dengesizlik termodinamiği, aktarım süreçleri ve kimyasal tepkimelerle ilgilidir. Doğal sistemlerin çoğu bugün bilinen makroskopik termodinamik yöntemlerin ötesindedir.
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.
Termodinamikte, sistemin termodinamik durumu, durum fonksiyonları olarak bilinen uygun değişken değerleriyle tam olarak tanımlanabilir. Termodinamik değişkenlerinin değerleri bir sistem için bir kere belirlendiğinde, termodinamiğin bütün özelliklerinin değerleri eşsiz bir şekilde belirlenmiş olur. Genellikle, termodinamik durum termodinamik dengenin biri olarak varsayılır. Yani, bu durum bir sistemin sadece belli bir süredeki durumu değil, durum süresiz uzunlukta aynı ve değişmezdir.
Maxwell ilişkileri İkinci dereceden türevlerin simetri ve termodinamik potansiyellerin tanımlarından türetilebilen termodinamik denklemler dizisidir. Bu ilişkiler 19.yüzyıl fizikçisi James Clerk Maxwell tarafından adlandırılmıştır.
Kimyasal termodinamik, termodinamik kanunlarının sınırları içinde, ısı ve işin kimyasal reaksiyonlarla veya fiziksel hâl değişiklikleriyle karşılıklı ilişkisinin incelenmesidir. Kimyasal termodinamik, yalnızca çeşitli termodinamik özelliklerin laboratuvar ölçümleriyle değil, aynı zamanda matematiksel yöntemler kullanılarak kimyayla ilgili sorulara cevap aranmasıyla ve kimyasal süreçlerin kendiliğinden gerçekleşme eğiliminin araştırılmasıyla da ilgilenir.
Kuantum termodinamiği, iki bağımsız fiziksel teori olan termodinamik ve kuantum mekaniği arasındaki ilişkilerin incelenmesidir. Bu iki bağımsız teori, ışık ve maddenin fiziksel olaylarını ele alır. 1905'te Albert Einstein, 
formülünü elde ederek, termodinamik ve elektromanyetizma arasındaki tutarlılık gereksinimi dolayısıyla ışığın kuantumlanıyor olması gerektiği sonucuna vardı. Einstein'ın bu durumu ortaya koyduğu makale, kuantum teorisinin şafağıdır. Kuantum teorisi, Einstein'ın makalesinin yayımlanmasını takip eden birkaç on yıl içerisinde bağımsız bir dizi kuralla kabul gören bir teori hâline geldi. Kuantum termodinamiği, kuantum mekaniğinden termodinamik yasaların ortaya çıkışını ele almaktadır. Termodinamik dengede bulunmayan dinamik süreçleri ele alışında, istatistiksel kuantum mekaniğinden farklılık gösterir. Buna ek olarak, kuantum termodinamiği teorisinin tek başına bir kuantum sistemine uygulanabilir olması için bir arayış vardır.
