熱力學主要研究熱量與機械功彼此之間的轉換。在熱力學裏，通常透過描述物理系統平均性質的宏觀變量，像溫度、內能、熵、壓強等等來解釋自然現象。熱力學研究這些宏觀變量彼此之間的關係（如麦克斯韦关系式）、以及它們的改變對於物理系統的影響。學習熱力學的起跑點是熱力學定律。熱力學不研究物質的微觀性質，這屬於統計力學領域。從統計力學的理論可以推導出熱力學定律。統計力學應用機率論來研究由大量粒子組成的系統的物理行為。統計力學將單獨原子或分子的微觀性質橋接至大塊物質的宏觀性質，對於這些宏觀性質給出微觀層級的詮釋。在大尺度的實驗中可以測量到這些宏觀性質，