Nhiệt động lực học là ngành vật lí nghiên cứu các liên hệ giữa nhiệt lượng và các dạng năng lượng khác. Đặc biệt, nó mô tả nhiệt năng được biến đổi thành những dạng năng lượng khác và biến đổi từ những dạng năng lượng khác như thế nào, và nhiệt năng ảnh hưởng đến vật chất như thế nào. Nhiệt năng là năng lượng mà một chất hay một hệ có được do nhiệt độ của nó, tức là năng lượng của các nguyên tử hay phân tử đang chuyển động. Nhiệt động lực học nghiên cứu việc đo năng lượng này, và việc đó có thể hết sức phức tạp. Theo giáo sư David McKee tại Đại học Missouri, “Những hệ mà chúng ta nghiên cứu trong nhiệt động lực học... gồm số lượng rất lớn nguyên tử hay phân tử đang tương tác với nhau hết sức phức tạp. Nhưng nếu những hệ này đáp ứng những điều kiện nhất định, cái chúng ta gọi là cân bằng, thì chúng có thể được mô tả với số lượng rất ít thông số. Thông thường các thông số này là khối lượng của hệ, áp suất của hệ, và thể tích của hệ, hay một tập hợp gồm các thông số tương đương khác. Ba con số mô tả được 1026hoặc 1030biến độc lập.” Nhiệt lượng Như vậy, nhiệt động lực học khảo sát một số tính chất của vật chất; nổi bật nhất trong số này là nhiệt lượng. Nhiệt lượng là năng lượng truyền giữa các chất hay các hệ do chênh lệch nhiệt độ giữa chúng. Là một dạng năng lượng, nhiệt lượng được bảo toàn, tức là nó không tự sinh ra hay mất đi. Tuy nhiên, nó có thể truyền từ nơi này sang nơi khác. Nhiệt lượng cũng có thể được biến đổi thành những dạng năng lượng khác hoặc biến đổi từ những dạng năng lượng khác. Ví dụ, tuabin hơi nước có thể biến đổi nhiệt lượng thành động năng làm chạy máy phát điện biến đổi động năng thành điện năng. Bóng đèn có thể biến đổi điện năng này thành bức xạ điện từ (ánh sáng), rồi năng lượng này bị hấp thụ bởi một bề mặt nào đó, biến đổi nó thành nhiệt năng trở lại. Nhiệt độ Lượng nhiệt năng truyền bởi một chất phụ thuộc vào tốc độ và số lượng nguyên tử hay phân tử đang chuyển động. Các nguyên tử hay phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ càng cao, và càng có nhiều nguyên tử hay phân tử đang chuyển động thì lượng nhiệt năng mà chúng truyền càng lớn. Nhiệt độ là một số đo động năng trung bình của các hạt trong một mẩu chất, được biểu diễn theo đơn vị hay độ quy ước trên một thang đo chuẩn. Thang nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất là Celsius, được xây dựng dựa trên điểm băng và điểm sôi của nước, được gán các giá trị tương ứng là 0C và 100C. Thang Fahrenheit cũng dựa trên điểm băng và điểm sôi của nước có giá trị được gán tương ứng là 32 F và 212 F. Tuy nhiên, các nhà khoa học trên thế giới sử dụng thang nhiệt độ Kelvin, thang đo mang tên của huân tước Kelvin, William Thomson, vì nó tiện lợi trong tính toán. Thang đo này sử dụng khoảng chia độ giống thang nhiệt độ Celsius, tức độ biến thiên 1 C bằng độ biến thiên 1 K. Tuy nhiên, thang đo Kelvin bắt đầu tại không độ tuyệt đối, nhiệt độ tại đó nhiệt năng hoàn toàn triệt tiêu và tất cả chuyển động phân tử đều dừng lại. Nhiệt độ 0 K bằng – 273,15 C hay – 459,67 F. Nhiệt dung riêng Nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một khối lượng chất nhất định lên một lượng nhất định được gọi là nhiệt dung riêng. Đơn vị tiện dụng cho nhiệt dung riêng là calo/gam/kelvin. Calo được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 g nước ở 4 C lên thêm 1 độ. Nhiệt dung riêng của một kim loại phụ thuộc gần như hoàn toàn vào số lượng nguyên tử có trong mẩu, chứ không phải khối lượng của nó. Chẳng hạn, một kilogram nhôm có thể hấp thụ nhiệt lượng gấp bảy lần một kilogram chì. Tuy nhiên, các nguyên tử chì chỉ có thể hấp thụ nhiệt lượng nhiều hơn khoảng 8% so với cùng số lượng nguyên tử nhôm. Tuy nhiên, một khối lượng nước cho trước có thể hấp thụ nhiệt lượng gần gấp năm lần khối lượng nhôm bằng như vậy. Nhiệt dung riêng của một chất khí thì phức tạp hơn và phụ thuộc vào nó được đo ở áp suất không đổi hay thể tích không đổi.
