Thermodynamica is een natuurkundig specialisme gewijd aan de studie van energie binnen grote systemen. Meer specifiek verklaart de thermodynamica de relatie tussen de kinetische en potentiële energie van een systeem en de hoeveelheid warmte en arbeid die het systeem kan produceren. In de loop der jaren hebben ingenieurs en wiskundigen, waaronder Isaac Newton en James Joule, drie universele principes van de thermodynamica ontwikkeld. Deze staan bekend als de wetten van de thermodynamica.
De "nul"-wet
De onhandig genoemde "nulde" wet van de thermodynamica legt het principe van thermodynamisch evenwicht vast. Dit beschrijft de neiging van de energie binnen een systeem om zich gelijkmatig over het systeem te verspreiden. Als je bijvoorbeeld een pan met water verwarmt, zal al het water in de pan uiteindelijk tot een gelijkmatige temperatuur stijgen, ook al heb je alleen de bodem van de pan verwarmd.
De eerste wet
De eerste wet van de thermodynamica, of de wet van behoud van energie, legt uit dat energie binnen een systeem niet kan worden gecreëerd of vernietigd. In elk systeem is de totale energie van het systeem, zoals gedefinieerd door de kinetische en potentiële energie in de systeem, is altijd gelijk aan de hoeveelheid werk die door het systeem wordt gedaan, afgetrokken van de hoeveelheid warmte die wordt toegevoegd aan de systeem. Deze wet legt uit waarom je gas moet blijven tanken om verder te rijden. Uw auto zet de potentiële energie die in benzine is opgeslagen om in warmte en arbeid.
De tweede wet
De tweede wet van de thermodynamica beperkt de overdracht van energie binnen een systeem. Volgens de wet is het onmogelijk om 100 procent van de beschikbare energie van het ene deel van het systeem naar het andere over te dragen. De neiging om energie te verliezen staat bekend als entropie. In het geval van automotoren, bijvoorbeeld, hoe efficiënt het ontwerp ook is, een deel van de potentiële energie in benzine zal door entropie worden verspild aan het verbrandingsproces. Deze wet verklaart ook waarom perpetuum mobile-machines fysiek onmogelijk zijn.