thumb|300px|right|Sodobno ilustriran prikaz prvotnega Carnotovega toplotnega stroja iz leta 1824, ki prikazuje vroče telo (kotel), delovno telo (sistem, para) in hladno telo (voda); črke označujejo ključne točke Carnotovega cikla
Termodinamika (iz starogrškega , therme - toplota in , dynamis – sprememba, moč) je veja fizike, ki se ukvarja s toploto in temperaturo in njuno povezavo z energijo, delom, sevanjem in lastnostmi snovi. Obnašanje teh veličin urejajo štirje zakoni termodinamike, ki podajajo njihove kvantitativne opise z uporabo merljivih makroskopskih fizikalnih količin, lahko pa se jih razloži tudi s statistično mehaniko. Termodinamika je uporabna na zelo različnih področjih znanosti in inženirstva, zlasti v fizikalni kemiji, kemijskem inženirstvu in tudi na tako kompleksnih področjih kot je meteorologija.
Zgodovinsko se je termodinamika razvila iz želje po povečanju učinkovitosti zgodnjih parnih strojev. K razvoju je še zlasti veliko prispeval francoski fizik Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), ki je bil prepričan, da so učinkoviti stroji kjuč, ki lahko pripomore k zmagi Francije v napoleonskih vojnah.<ref> Clausius, Rudolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the 'Theory of Heat'''. Poggendorff's Annalen der Physik, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3.</ref> Škotsko-irski fizik Lord Kelvin je bil prvi, ki je izoblikoval jedrnato definicijo termodinamike (1854),William Thomson, LL.D. D.C.L., F.R.S. (1882). Mathematical and Physical Papers. 1. London, Cambridge: C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press. str. 232. ki se glasi: "Termodinamika je področje povezav toplote s silami, ki delujejo med sosednjimi deli teles, in povezav toplote z učinki električnega toka".
Termodinamika, ki se je sprva ukvarjala predvsem z mehanskimi toplotnimi stroji, se je že zelo zgodaj razširila na kemijske spojine in kemijske reakcije. Kemijska termodinamika preučuje lastnosti in vlogo entropije v kemijskih reakcijah in številnih drugih z njimi povezanimi področjih.Gibbs, Willard, J. (1874–1878). Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. III. New Haven. str. 108–248, 343–524.Duhem, P.M.M. (1886). Le Potential Thermodynamique et ses Applications. Hermann, Pariz.Lewis, Gilbert N., Randall, Merle (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc.Guggenheim, E.A. (1933). Modern Thermodynamics by the Methods of J.W. Gibbs. Methuen, London.Guggenheim, E.A. (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 1st edition 1949, 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam.Ilya Prigogine, I., Defay, R. (1954). Chemical Thermodynamics. Longmans, Green & Co., London.Enrico Fermi (1956). Thermodynamics. Courier Dover Publications. str. (ix). ISBN 978-0486603612. OCLC 230763036.Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. OCLC 123283342.Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5. OCLC 58732844. Kasneje so nastale tudi druge formulacije. Statistična termodinamika ali statistična mehanika se ukvarja s statističnimi napovedmi kolektivnega gibanja delcev iz njihovega mikroskopskega obnašanja. Leta 1909 je Constantin Carathéodory predstavil tudi popolnoma matematičen pristop, ki se pogosto omenja kot geometrijska termodinamika.
Uvod Za opis kateregakoli termodinamskega sistema se uporabljajo štirje zakoni termodinamike. Prvi zakon pravi, da se energija med fizikalnimi sistemi lahko izmenjuje kot toplota in delo.Van Ness, H.C. (1983) . Understanding Thermodynamics. Dover Publications, Inc. ISBN 9780486632773. OCLC 8846081. Drugi zakon definira obstoj entropije, ki določa smer, v katero se termodinamski sistem lahko razvija, in količino uporabnega dela, ki ga sistem lahko opravi.Dugdale, J.S. (1998). Entropy and its Physical Meaning. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5. OCLC 36457809.
V termodinamiki je preučevanja osredotočeno predvsem na pojma termodinamski sistem in njegova okolica. Sistem sestavljajo delci, katerih povprečno gibanje določajo njihove lastnosti, in lastnosti, ki so z njimi povezane z enačbami stanja. Lastnosti so lahko združene na primer v izrazih za notranjo energijo in termodinamske potenciale, ki so uporabni za določanje pogojev za ravnotežja in spontane procese.
Termodinamika z vsemi njenimi orodji je uporabna za opise odzivov sistemov na spremembe v njihovem okolju. Uporabna je na zelo veliko področjih v znanosti in inženirstvu, kot so stroji, fazni prehodi, kemijske reakcije, transportni pojavi in celo črne luknje. V fiziki in kemiji je pomembna predvsem v kemijskem inženirstvu, korozijskem inženirstvu, letalskem in vesoljskem inženirstvu, mehanskem inženirstvu, celični biologiji, biomedicinskem inženirstvu in preučevanju snovi.Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbott, M.M. (2005). "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics ". Journal of Chemical Education. 27: 584. Bibcode: 1950JChEd..27..584S. doi: 10.1021/ed027p584.3. ISBN 978-0-07-310445-4. OCLC 56491111.Haynie, Donald, T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79549-4. OCLC 43993556.
Ta članek obravnava predvsem klasično termodinamiko, ki preučuje predvsem sisteme v termodinamskem ravnotežju. Neravnotežna termodinamika se pogosto obravnava kot razširitev klasične termodinamike, h kateri je veliko doprinesla statistična mehanika.
Zgodovina 400px|thumb|Ustanovitelji prvih osmih temeljnih šol termodinamike; na sodobno termodinamiko so imele največji vpliv berlinska šola (Rudolf Clausius: Mehanska teorija toplote), dunajska šola (Ludwig Boltzmann: Statistična mehanika) in gibbsovska šola univerze Yale (Gibbs: O ravnotežju heterogenih snovi
Zgodovina termodinamike kot znanosti se je začela z Ottom von Guerickejem, ki je leta 1650 zasnoval in izdelal prvo vakuumsko črpalko in dokazal, da je vakuum srž magdeburških polkrogel. Guerickeja je k temu spodbudila želja po dokazu, da je Aristotelova trditev, da "narava ne dopušča praznine", napačna. Kmalu zatem je angleški fizik in kemik Robert Boyle v sodelovanju z angleškim znanstvenikom Robertom Hookom na podlagi Guerickejevih načrtov leta 1656 izdelal zračno črpalko.Partington, J.R. (1989). A Short History of Chemistry. Dover. OCLC 19353301. S to črpalko sta Boyle in Hooke odkrila povezave med tlakom, prostornino in temperaturo. V tem času se je izoblikoval Boylov zakon, ki pravi, da sta tlak in prostornina obratno sorazmerna. Na podlagi teh spoznanj je Boylov družabnik Denis Papin izdelal Papinov lonec, posodo s tesno prilegajočim se pokrovom, ki se je odprl šele pri visokem tlaku pare.
V lonec so kasneje gradili varnostni ventil za izpust pare, ki je preprečeval eksplozijo lonca. Z opazovanjem ritmičnega odpiranja in zapiranja ventila je Papin prišel do ideje o batu in parnem valju, vendar svoje ideje ni izpeljal do konca. Prva parna stroja sta na osnovi Papinovih načrtov izdelala Thomas Savery leta 1697 in Thomas Newcomen leta 1712. Stroja sta kljub temu, da sta bila grobo izdelana in neučinkovita, pritegnila pozornost znanstvenikov tistega časa.
Osnovni ideji o toplotni kapaciteti in notranji energiji, ki sta bili potrebni za razvoj termodinamike, je razvil Joseph Black, profesor na Univerzi v Glasgowu, na kateri je bil kot izdelovalec instrumentov zaposlen James Watt. Poskuse sta skupaj opravljala Black in Watt, pomemben napredek k razvoju pa je opravil predvsem Watt z zunanjim kondenzatorjem, ki je zelo povečal učinkovitost parnega stroja. Vsa dotedanja spoznanja je zbral "oče termodinamike" Sadi Carnot in jih leta 1824 objavil v knjigi Razmišljanja o gibalni moči ognja, ki je govorila o toploti, moči, energiji in učinkovitosti parnega stroja. Knjiga je očrtala osnovne energetske povezave med Carnotovim strojem, Carnotovim ciklom in močjo in označila začetek termodinamike kot sodobne znanosti.
Prvi učbenik termodinamike je leta 1859 napisal William Rankine, ki je bil sprva profesor fizike ter gradbenega in strojnega inženirstva na Univerzi v Glasgowu.Cengel, Yunus A., Boles, Michael A. (2005). Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-310768-4. Prvi in drugi zakon termodinamike sta se pojavila istočasno v 1850. letih v delih Williama Rankinea, Rudolfa Clausiusa in Williama Thomsona (Lord Kelvin).
Temelje statistične termodinamike so postavili fiziki James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius in Josiah Willard Gibbs.
V letih 1873–1876 matematični fizik Gibbs objavil tri razprave, med katerimi je bila najpomembnejša razprava o ravnotežju heterogenih snovi. V razpravi je prikazal, kako se lahko termodinamski procesi, vključno s kemijskimi reakcijami, analizirajo grafično s preučevanjem energije, entropije, prostornine, temperature in tlaka termodinamskega sistema. Z analizo se lahko na primer ugotovi ali bi lahko proces potekal spontano.Gibbs, Willard (1993). The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics. Ox Bow Press. ISBN 978-0-918024-77-0.OCLC 27974820. V 19. stoletju je o kemijski termodinamiki pisal tudi Pierre Duhem. V zgodnjem 20. stoletju so kemiki Gilbert N. Lewis, Merle Randall in E.A. Guggenheim uporabili Gibbsove matematične metode za analizo kemijskih procesov.
Etimologija Izraz termodinamika ima zapleteno zgodovino.Thermodynamics (etymology). EoHT.info. Sprva se je uporabljal v pridevniški obliki kot termo-dinamičen in od leta 1854 do 1868 kot samostalnik termo-dinamika in kot tak predstavljal splošno znanost o toplotnih strojih.
Ameriški biofizik Donald Haynie trdi, da je bil izraz termodinamika skovan leta 1840 iz grških besed θέρμη therme, ki pomeni "toplota", in δύναμις dynamis, ki pomeni "moč".Donald T. Haynie (2008). Biological Thermodynamics (2 ed.). Cambridge University Press. str. 26.
Pierre Perrot trdi, da je izraz termodinamika skoval James Joule leta 1858 za opis znanosti o povezavah med toploto in močjo, vendar Joule tega izraza nikoli ni uporabil. Namesto njega je, po Thomsonovi frazeologiji iz leta 1849, Kelvin, William T. (1849). An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat – with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam. Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2. Scanned Copy. uporabljal izraz popoln termo-dinamski stroj.
Do leta 1858 je bil izraz termo-dinamika kot funkcionalen izraz uporabljen na primer v članku Williama Thomsona Mnenje o Carnotovi teoriji pogonske moči toplote.
Veje termodinamike Preučevanje termodinamskih sistemov se je razvilo v več povezanih vej, pri čemer je vsaka kot teoretično ali eksperimentalno podlago uporabila drugačen temeljni model ali uporabila načela za različne tipe sistemov.
Klasična termodinamika Klasična termodinamika opisuje stanja termodinamskih sistemov v skoraj ravnotežnem stanju, za kar uporablja njihove merljive makroskopske lastnosti. Uporablja se za modeliranje sprememb energije, dela in toplote na osnovi zakonov termodinamike. Pridevnik klasična odraža dejstvo, da predstavlja prvo raven razumevanja dogajanj, ker se je razvila v 19. stoletju in opisuje spremembe sistema z makroskopskimi empiričnimi parametri. Pozneje je z razvojem statistične mehanike nastala mikroskopska razlaga teh konceptov.
Statistična mehanika Statistična mehanika ali statistična termodinamika se je pojavila z razvojem atomskih in molekularnih teorij v poznem 19. in zgodnjem 20. stoletju in dopolnila klasično termodinamiko z razlago mikroskopskih vzajemnih vplivov posameznih delcev ali kvantno-mehanskih stanj. To področje termodinamike povezuje lastnosti posameznih atomov in molekul z makroskopskimi lastnostmi mase snovi, opaznimi na človeški ravni. Statistična mehanika torej razlaga klasično termodinamiko kot naraven rezultat statistike, klasične mehanike in kvantne teorije na mikroskopski ravni.
Kemijska termodinamika