Termodynamiikka on tieteen ala, joka sisältää lämmön ja muun energian välisen suhteen. Termodynamiikka löydettiin ja tutkittiin 1800 -luvun alusta lähtien. Tuolloin se liittyi höyrykoneiden käyttöön ja sai siitä merkityksen.
Termodynamiikka voidaan jakaa neljään lakiin. Vaikka nollalaki lisätään termodynamiikan lakeihin kolmen muun lain jälkeen, siitä keskustellaan yleensä ensin. Siinä todetaan, että jos kaksi järjestelmää ovat termisessä tasapainossa kolmannen järjestelmän kanssa, ne ovat termisessä tasapainossa keskenään. Toisin sanoen, jos kaksi järjestelmää ovat saman lämpöisiä kuin kolmas järjestelmä, niin kaikki kolme ovat samoja lämpötiloja.
Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan järjestelmän kokonaisenergia pysyy vakiona, vaikka se muunnettaisiin muodosta toiseen. Esimerkiksi liike -energia – esineen liikkuessa omaama energia – muuttuu lämpöenergiaksi, kun kuljettaja painaa auton jarruja hidastamaan sitä. Usein on lauseita, jotka auttavat ihmisiä muistamaan ensimmäisen termodynamiikan lain: “Työ on lämpöä ja lämpö on työtä.” Pohjimmiltaan työ ja lämpö vastaavat toisiaan.
Termodynamiikan toinen laki on yksi tieteen peruslakeista. Siinä todetaan, että lämpö ei voi virrata järjestelmään korkeammassa lämpötilassa matalamman lämpötilan järjestelmästä omasta tahdostaan. Jotta tällainen toimenpide tapahtuisi, on tehtävä työtä. Jos jääpala asetetaan kuppiin lämmintä vettä, jääpala sulaa, kun veden lämpö virtaa siihen. Lopputuloksena on kuppi vettä, joka on hieman viileämpää. Jääkuutioita voi muodostua vain, jos energiaa käytetään.
Toinen esimerkki toisesta laista, joka toimii vain lisäämällä energiaa, voidaan nähdä vanhemman jääkaapin kanssa. Tällöin jääkaapin sisäosan jäähdytys lämmittää sen ulkopuolta. Joten työ on tehty ja työ lämmittää. Työn viimeistelee jääkaapin pumppu.
Termodynamiikan toinen laki sanoo myös, että asiat voivat kulua. Jos esimerkiksi tiilitalo jätetään hoitamatta, se lopulta murenee tuulesta, sateesta, kylmyydestä ja muista sääolosuhteista. Kuitenkin, jos tiilikasa jätetään ilman valvontaa, se ei koskaan muodosta taloa, ellei seokseen lisätä työtä.
Termodynamiikan kolmannen lain mukaan järjestelmän entropian muutos, kun se muuttuu muodosta toiseen, lähestyy nollaa, kun sen lämpötila lähestyy nollaa Kelvinin asteikolla. Nolla Kelvin -asteikolla on absoluuttinen alaraja lämpötilalle – kun atomeilla ja molekyyleillä on vähiten mahdollista energiaa. Entropia määritellään järjestelmän energian saatavuudeksi työn tekemiseen. Tästä seuraa, että on olemassa absoluuttinen entropian asteikko. Näin ollen mikään todellinen järjestelmä ei voi koskaan saavuttaa nollan astetta Kelvin -asteikolla.