熱力学（ねつりきがく、thermodynamics）は、物理学の一分野で、熱現象を物質の巨視的性質から扱う学問。アボガドロ定数個程度の分子から成る物質の巨視的な性質を巨視的な物理量（エネルギー、温度、エントロピー、圧力、体積、物質量または分子数、化学ポテンシャルなど）を用いて記述する。
目次

1 歴史

2 熱力学の法則

2.1 より百科事典的な説明


3 熱力学的系

4 基本法則からの発展と応用

5 非平衡熱力学

6 参考文献

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歴史

18世紀後半から19世紀にかけて蒸気機関が発明・改良されたが、これらは学問的成果を応用したものでなく専ら経験的に進められたものであった。一方この頃気体の性質が研究され、19世紀初めにはボイル＝シャルルの法則（理想気体の性質）としてまとめられたが、まだ熱を物質と考える熱素説が有力であった。

1820年代になると、カルノーが熱機関の科学的研究を目的として仮想熱機関（カルノーサイクル）による研究を行い、ここに本格的な熱力学の研究が始まった。この研究結果は熱力学第二法則とエントロピー概念の重要性を示唆するものであったが、カルノーは熱素説に捉われたまま早世し、重要性が認識されるにはさらに時間がかかった。

なお同じ頃フーリエが熱伝導の研究を発表したが、これは熱力学とは直接関係なく、むしろ物理数学に顕著な成果（フーリエ変換につながる）を残すこととなった。

熱をエネルギーの一形態と考えエネルギー保存の法則（つまり熱力学第一法則）をはじめて提唱したのはマイヤーである。彼は1842年にそれを発表したが全く注目されなかった。しかしほぼ同時期にジュールが行った同様の研究はトムソン（ケルヴィン卿）の知るところとなり、彼らの共同研究から第一法則が明らかにされた。

さらにトムソンはカルノーの研究を知り、絶対温度の概念および熱力学第二法則に到達した。クラウジウスも独立に第一および第二法則に到達し、カルノーサイクルの数学的解析からエントロピー概念の重要性を明らかにした（エントロピーの命名もクラウジウスによる）。こうして1850年代には両法則が確立された。

19世紀後半になると、ヘルムホルツによって自由エネルギーが、またギブズによって化学ポテンシャルが導入され、化学平衡などを含む広い範囲の現象を熱力学で論じることが可能になった。

一方、ボルツマンやマクスウェルによって創始された統計力学が発展し、熱力学的諸概念を分子論から具体的に解釈できるようになって、熱力学と統計力学は車の両輪のようにして発展していった。

熱力学・統計力学の年表

熱力学の法則
熱力学第零法則
物体AとB、BとCがそれぞれ熱平衡ならば、AとCも熱平衡にある。

熱力学第一法則（エネルギー保存則）
系（閉鎖系）の内部エネルギーUの変化dUは、外界から系に入った熱δQと外界から系に対して行われた仕事δWの和に等しい。
dU = δQ + δW
さらに一般に、外界と物質を交換しうる系（開放系）では、外界から系に物質が流入することによる系のエネルギーの増加量δZも加わることになる。
dU = δQ + δW + δZ

熱力学第二法則
熱を低温の物体から高温の物体へ移動させ、それ以外に何の変化も起こさないような過程は実現不可能である。（クラウジウスの原理）

温度の一様な一つの物体から取った熱を全て仕事に変換し、それ以外に何の変化も起こさないような過程は実現不可能である。（トムソン（ケルヴィン）の原理）

第二種永久機関は実現不可能である。（オストヴァルトの原理）
厳密には第三法則(絶対零度の到達不可能)が必要。

第二法則は第二種永久機関が実現するためには低温熱源が絶対零度である必要があると述べているだけで、第二種永久機関が実現不可能とまではいっていない。


断熱系で不可逆変化が起こるとき、エントロピーは必ず増加する。可逆的な変化ではエントロピーの増加は０となる。（エントロピー増大の原理・クラウジウスの不等式）


熱力学第三法則（絶対エントロピーの定義）
絶対零度でエントロピーはゼロになる。（ネルンスト・プランクの原理）

第1、第2法則は、ルドルフ・クラウジウスによって定式化された。