熱學是研究熱的產生和傳導，研究物質處于熱狀態下的性質及其變化的學科。人們很早就有冷熱的概念。對于熱現象的研究逐步澄清了關于熱的一些模糊概念(例如區分了溫度和熱量)，并在此基礎上開始探索熱現象的本質和普遍規律。關于熱現象的普遍規律的研究稱為熱力學。到19世紀，熱力學已趨于成熟。
物體有內部運動，因此就有內部能量。19世紀的系統實驗研究證明：熱是物體內部無序運動的表現，稱為內能，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系，從而建立了熱力學第一定律：宏觀機械運動的能量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數值是不變的，因此熱力學第一定律就是能量守恒與轉換定律的一種表現。
在卡諾研究結果的基礎上，克勞修斯等科學家提出了熱力學第二定律，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，也就是熱平衡的狀態。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內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。應用熵的概念，還可以把熱力學第二定律表達為：一個孤立的物理系統的熵不會著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統就處于熱平衡狀態。