Термодинамиката е наука за най-общите свойства, на макроскопичните тела, които се намират в състояние на термодинамично равновесие, и за процесите, свързани с преходи между такива състояния.
Термодинамика (от грц.
thermos – топъл, и динамика).
Термодинамиката се основава на общи принципи, които са изведени въз основа на вековния опит на човечеството и се приемат за общовалидни и приложими към всички макроскопични тела и системи от тела. Тя приема, че всяко изолирано тяло (или система от тела) след достатъчно дълго време (време на релаксация) преминава в така нареченото термодинамично равновесно състояние. Ако една система е в термодинамично равновесие, то в равновесно състояние е всяка нейна макроскопична част.
Един мол представлява толкова
грама от веществото, колкото
е молекулното му тегло.
Удобството от такава единица
мярка е, че тя съдържа винаги
един и същ брой частици
независимо от химичния състав
на веществото.
Равновесното състояние се характеризира с малък брой физични параметри. Един от най-важните е температурата (T), чиято стойност във всяка точка на равновесната система е една и съща (съществуването на такъв равновесен параметър често се нарича нулев принцип на термодинамиката). Най-често използваните други параметри са обемът (V) и налягането (P). Ако се разглежда течност или газ, между Р, V и Т съществува определена зависимост, наречена уравнение на състоянието (за идеален газ това е уравнението на Клапейрон PV=nRT, където R е газовата константа, а n — броят молове от веществото).
Затоплянето на стаята не
увеличава енергията в нея,
защото става при постоянно
налягане. Енергията, която идва
от горещата печка, отива за
създаване и поддържане на
разлика в температурата между
стаята и околната среда (т. е.
на термодинамично неравновесно
състояние).
Основните принципи на термодинамиката са три. Първият принцип изразява закона за запазване на енергията при термодинамичните процеси. Общо казано, състоянието на една термодинамична система може да се измени или като й се придаде (или отнеме) някакво количество топлина (ΔQ) или като се извърши от системата (или върху нея) някаква работа (ΔA). Количествата ΔQ и ΔA зависят от конкретния процес, а не само от началното и крайното състояние. Ако обаче в резултат на процеса системата се върне в началното си състояние (извърши цикъл), то ΔQ=ΔA т. е. количеството погълната топлина е равно на извършената работа. Само от началното и крайното състояние зависи и разликата ΔU=ΔQ-ΔA, която дава изменението на вътрешната енергия на тялото, т. е. на тази част от енергията му, която не е свързана с движението му като цяло, а е запасена в него. Енергийният еквивалент на работата и топлината, а заедно с това и законът за запазване на енергията са изведени опитно и формулирани най-напред от Ю. Майер през 1842 г., а след това са изказани по-ясно от X. Хелмхолц през 1847 г. Друга формулировка на първия принцип гласи, че не може да се направи вечен двигател, който да извършва работа, без да възстановява изразходваната при това енергия (перпетуум мобиле от I род).
Енергията на тялото не може да се раздели на топлинна и механична, т. е. тялото не съдържа определено количество топлина и определено количество механична енергия. При различните процеси в топлинна или механична енергия може да се превърне и да се отдели (или погълне) различна част от енергията. Способността на телата да извършват работа или да отдават (поглъщат) топлина при различни обратими процеси се описва чрез въвеждането на определени термодинамични функции (термодинамични потенциали), като вътрешна енергия, енталпия (топлосъдържание), свободна енергия и др.
Ако при обратим процес обемът на тялото остава постоянен, работа не се извършва и полученото количество топлина увеличава вътрешната му енергия.
Ако налягането остава постоянно, количеството погълната топлина се дава с изменението на енталпията на тялото. Свободната енергия е тази част от енергията на тялото, която може да се превърне в механична енергия (в работа) при постоянна температура. Затова изменението на свободната енергия при изотермичен процес е равно на извършената работа.
Вторият принцип на термодинамиката е свързан с посоката на протичане на процесите и има няколко равностойни формулировки. Най-простата от тях, изказана от Р. Клаузиус през 1850 г., гласи, че в една изолирана система топлината преминава от по-топлите тела към по-студените. Една година по-късно лорд Келвин изказва същия принцип по друг начин: не е възможно да се построи циклично действаща машина, която да извършва работа, като черпи топлина само от един резервоар (перпетуум мобиле от II род). Такава машина би действала вечно за сметка на практически неизчерпаемите запаси от топлина във Вселената. Това би означавало пълно превръщане на топлината в работа, което не е забранено от първия принцип. Вторият принцип изисква да има и втори резервоар („хладилник“), на който да се отдава част от топлината, която не се превръща в работа. Най-често този втори резервоар е околното пространство, а за повишаване на температурата в първия резервоар се използва някакъв вид гориво – въглища, нафта, бензин, ядрено гориво и т. н. Въз основа на подобни съображения Н. Карно извежда за първи път през 1824 г. формула за максималния коефициент на полезно действие (к. п. д.) на топлинните двигатели.
Строга формулировка на втория принцип може да се даде въз основа на въведената от Клаузиус през 1865 г. термодинамична функция, наречена ентропия (S). Изменението на тази функция е свързано с изменението на количеството топлина (ΔQ) и температурата на процеса чрез формулата 
. В една затворена система може да протичат само процеси, при които ентропията нараства (ΔS>0) или остава постоянна (ΔS=0). Ако ΔS=0, процесът е обратим. В термодинамически равновесно състояние ентропията естествено трябва да бъде максимална.
Третият принцип на термодинамиката гласи, че при температура, равна на абсолютната нула, ентропията на всяко равновесно тяло е равна на нула. Формулиран е от В. Нернст през 1906 г. Той допълва втория принцип, в който се говори само за изменението на ентропията, а не за точната й стойност, и показва, че ентропията наистина е универсална термодинамична функция. Термодинамичните принципи са много общи, поради което термодинамиката намира най-широко приложение и в други науки. Някои нейни клонове са добили самостоятелността на отделни дисциплини: термодинамика на газовете, на течностите, на твърдите тела, на диелектриците, на магнетиците, химична термодинамика, техническа термодинамика и т. н.
Когато разтягаме ластик, ние се
„борим“ с ентропията. Ластикът
се състои от дълги молекули,
които в термодинамично
равновесие са хаотично
разположени. При разтягане ние
ги ориентираме по посока на
тегленето, с което намаляваме
хаоса (а следователно – и
ентропията) и извеждаме
системата от равновесното и
състояние.
Термодинамиката е феноменологична наука. Смисълът на нейните понятия, връзката им с микроструктурата на телата, както и границите на приложимостта на тази наука се дават от статистическата физика. Статистическата физика напр. показва, че температурата на един газ е пропорционална на средната кинетична енергия на молекулите му, а ентропията се явява мярка за хаоса в него. Затова и термодинамически равновесното състояние е състоянието с максимално хаотично разположени частици (допустимо при дадените външни условия и действащите сили).
Вж. Молекулна физика и Статистическа физика.