熱學(xué)是研究熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)下的性質(zhì)及其變化的學(xué)科。人們很早就有冷熱的概念。對于熱現(xiàn)象的研究逐步澄清了關(guān)于熱的一些模糊概念(例如區(qū)分了溫度和熱量)，并在此基礎(chǔ)上開始探索熱現(xiàn)象的本質(zhì)和普遍規(guī)律。關(guān)于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學(xué)。到19世紀，熱力學(xué)已趨于成熟。
物體有內(nèi)部運動，因此就有內(nèi)部能量。19世紀的系統(tǒng)實驗研究證明：熱是物體內(nèi)部無序運動的表現(xiàn)，稱為內(nèi)能，以前稱作熱能。19世紀中期，焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關(guān)系，從而建立了熱力學(xué)第一定律：宏觀機械運動的能量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉(zhuǎn)化，總的能量的數(shù)值是不變的，因此熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種表現(xiàn)。
在卡諾研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，克勞修斯等科學(xué)家提出了熱力學(xué)第二定律，表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內(nèi)部各處的溫度不盡相同，那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最后達到各處溫度都相同的狀態(tài)，也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體，不可能自動回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應(yīng)用熵的概念，還可以把熱力學(xué)第二定律表達為：一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不會著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當(dāng)熵達到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。