Així com la mecànica analitza el moviment d’un sistema material com si fos format per punts discrets, la termodinàmica fa l’estudi estadístic d’un nombre molt elevat de partícules i determina els valors mitjans de les magnituds que el caracteritzen. Les propietats termodinàmiques de la matèria poden ésser deduïdes de les lleis de la mecànica estadística en allò que es refereix al comportament ideal dels cossos, i de paràmetres experimentals i fórmules empíriques quan cal tenir en compte les desviacions respecte a les hipòtesis ideals. La mesura de la temperatura, la pressió o el volum específic d’un sistema només té sentit si hom considera un nombre molt elevat de partícules al comportament de les quals hom pugui aplicar la llei dels grans nombres; és per això que són magnituds estadístiques o termodinàmiques. També ho són l’energia, l’entropia i moltes altres, definides com la combinació d’aquestes per a estudiar problemes particulars. Hom classifica les magnituds termodinàmiques en intensives i extensives , segons que tinguin un caràcter local i no depenguin de la quantitat de massa present, com és ara la pressió, o que corresponguin a una característica de conjunt del sistema, com és ara el volum o l’energia total. Una magnitud intensiva no resta minvada en dividir el sistema en parts, però sí que hi resta una d’extensiva. L’estat termodinàmic d’un sistema resta definit quan les magnituds termodinàmiques ho són, i, per a un valor determinat d’aquestes, hom defineix un estat , el qual pot ésser representat per una equació o funció d’estat . Per tant, des d’aquest punt de vista formal, les magnituds termodinàmiques són anomenades també variables d’estat . Així, un estat d’equilibri podrà ésser representat, per exemple, per una funció ϕ( p, v, T ) = 0, on p, v i T són les variables (pressió, volum específic i temperatura absoluta, respectivament) i ϕ l’expressió matemàtica que les relaciona. Quan una o més variables evolucionen, el sistema passa per una successió d’estats que hom anomena transformació termodinàmica . Les transformacions que poden ésser efectuades en ambdós sentits i, en fer-ho, passen per estats termodinàmics idèntics són anomenades reversibles ; en el cas contrari són irreversibles . Si en una transformació termodinàmica un sistema torna a l’estat inicial, la transformació efectuada és un cicle (cicle 19). A partir de les definicions termodinàmiques de pressió ( P ) i temperatura ( T ), la relació més important que hom pot establir en un sistema és d E=T d S-P d V , on E és l’energia, S l’entropia i V el volum. En utilitzar el mecanisme del càlcul diferencial hom estableix una sèrie de relacions entre les derivades de les magnituds termodinàmiques que faciliten l’estudi del comportament d’un sistema. Cal destacar-ne les següents:
on C V i C P són les calors específiques a volum constant i a pressió constant, respectivament; la variable que figura a la part inferior externa dels parèntesis indica que roman constant en fer la derivada expressada a l’interior del parèntesi. La termodinàmica com a ciència es desenvolupà durant els s. XVIII i XIX, quan les nocions de calor i temperatura encara no havien estat prou aprofundides. Inicialment era més aviat una teoria amb poca base, els resultats i mètodes de la qual foren molt importants per a les aplicacions pràctiques, atès el desenvolupament, en aquell temps, de les màquines tèrmiques. Atenyé el seu punt culminant al final del s. XIX amb els treballs de Carnot, Joule, Kelvin i altres, just quan hom hi començà a introduir els mètodes estadístics gràcies a Mayer, Boltzmann i Gibbs, entre altres, que els aplicaren, principalment, a l’estudi dels processos químics. Com a ciència estructurada recolza en dos principis deduïts de l’experiència, anomenats primer principi i segon principi de la termodinàmica, si bé hom sol enunciar, a més a més, un principi zero i un tercer principi, que són dues altres proposicions emanades de l’experiència, i, entre tots quatre, resumeixen la totalitat dels coneixements que configuren la termodinàmica.