熱力學（Thermodynamics）是對處於熱平衡之宏觀系統性質的現象學式描述。
想像你是一位後牛頓時代的物理學家，打算理解像「一容器氣體」這樣的簡單系統如何行為。要怎麼下手？一門成功的物理理論的典範是經典力學：它從簡單的基本定律出發，運用微積分這套數學機械，去描述粒子錯綜複雜的運動。類比地，你可以這樣做：
- 盡可能理想化所研究的系統（就像把粒子視為質點）。我們對機械功的概念很熟，但熱的交換會帶來複雜度。解方針是先研究封閉系統：以絕熱壁與外界隔離，使其不與外界交換熱。當然，最終也必須研究開放系統，它可以透過透熱壁與外界交換熱。
- 正如質點的狀態以其座標（與動量）來量化，宏觀系統的性質也可用若干熱力學座標或狀態函數來描述。最熟悉的是與機械功相關的一組變量，例如：壓力與體積（對流體）、表面張力與面積（對薄膜）、張力與長度（對導線）、電場與極化（對介電質）等。正如我們將看到的，還有與機械功無關的其他狀態函數。
這些狀態函數只有在系統處於平衡時才定義良好；也就是說，在我們關心的時間區間（觀察時間）內，其性質不隨時間有顯著變化。由於對觀察時間的依賴，平衡這個概念帶有某種主觀性。例如，窗玻璃在數十年的時間尺度上可視為固體處於平衡，但在數千年的時間尺度上又會像流體那樣流動。在另一個極端，在大爆炸後最初幾分鐘的早期宇宙中，討論物質與輻射之間的平衡完全是合理的。 - 最後，各種狀態函數之間的關係是由熱力學定律所描述的。作為一種現象學式的描述，這些定律建立在多項經驗觀察之上。接著，以這些觀察為基礎可以建構出一致的邏輯與數學架構，由此導出許多有用的概念，並得到各物理量之間可檢驗的關係。而熱力學定律唯有在更根本（微觀）的自然理論中才得以被論證。舉例而言，統計力學試圖從經典或量子力學的方程（用以描述多粒子系統的演化）出發，來推導出這些定律。
宏觀物質最顯著的特徵或許是難以置信的簡單性——只需極少的量即可表徵。比如我們去藥房買「一升乙醇」，這個資訊少得可憐的描述其實已經足夠。但從原子層面看，「一升乙醇」所指定的條件實在太少；對這個系統做完整的數學描述，必須給出所有乙醇分子的座標、動量，以及描述每個分子內部狀態的量——起碼有 10的23次方量級那麼多物理量才能完整描述「一升乙醇」！如果一台電腦每 1 微秒在螢幕上列印一個座標，那麼經過 100 億年（宇宙年齡的量級）才能列印完。神奇的是，在這10的23次方個原子座標，或者它們的線性組合之中，除了極少數之外，其餘在宏觀上彼此獨立。那些在宏觀上彼此相關的少數部分稱為「宏觀量」（macroscopic coordinates），或「熱力學量」（thermodynamic coordinates）。
作為一門自然科學，熱力學必須能預言某些實驗觀測的結果，因此需要選擇合適的描述性變數；這些變數規定了熱力學的範圍與結構。描述宏觀物質之所以簡單，以及如何選取熱力學量，其標準都與宏觀測量的特性有關。宏觀測量相較於原子時間尺度極其緩慢，相較於原子空間尺度則十分粗糙。
在進行宏觀測量時，原子系統其實正在迅速而複雜地運動。設想用單色光干涉條紋來測量細金屬條長度的實驗：底片上的光積累形成干涉條紋，因而這一觀測的持續時間與相機的快門速度相關——一般在 10的負2次方 秒的量級。而金屬棒中原子振動的特徵週期量級為 10的負15次方秒！宏觀測量不可能探測無數個以原子週期尺度瘋狂變化的微觀量；只有極少部分原子座標的特定組合幾乎不隨時間改變，因此可以被宏觀測量「幾乎」這個詞是一個重要的限定條件。實際上，我們所能觀察到的宏觀過程幾乎是（但並非嚴格）與時間無關的。若再多花些功夫，人類可以觀測到時間尺度在10的負8次方秒或更短一些的過程，但就算如此，仍遠大於原子時間尺度（約 10的負15次方秒)。因此，先考慮極限情形並建立一套處理與時間無關現象的理論，是很合理的；這套理論就是熱力學。依照定義，並考慮宏觀觀測量的性質，熱力學只描述宏觀系統的靜態。在~10的23次方個原子座標及其線性組合之中，只有極少部分與時間無關。守恆量是最明顯的與時間無關的熱力學量：例如系統的能量、總動量（的各分量）、總角動量（的各分量）。
結論
熱力學是現象學：用少量宏觀量／狀態函數（如 𝑃,𝑉,𝑇 …）描述熱平衡下的宏觀系統；定律源自經驗，但可由統計力學在微觀上加以奠基。
為何能用少量變數？ 盡管系統含有約 10的23次方個自由度，宏觀測量只「看得見」其中彼此相關的少數線性組合；其餘在宏觀上彼此獨立、等於背景雜訊。
時間與空間解析度的落差：宏觀測量很慢，遠慢於原子級動力學。因此宏觀現象對我們而言幾乎與時間無關，這也是狀態函數可被穩定定義的原因。
平衡的「準」客觀性：是否視為平衡，要看觀察時間尺度；玻璃在數十年像固體、數千年像流體。概念帶有尺度依賴而非任意性。
理想化→再放寬：先分析封閉＋絕熱的簡化系統（不交換熱），再推廣到開放／透熱情形；這條路徑讓結構清楚、邏輯一致。
守恆量是骨架：能量、總動量、總角動量等與時間無關（在封閉系統）——是最穩的宏觀量，撐起熱力學架構。
定律與結構：實證觀察 → 建立一致的數學與邏輯結構 → 產生可檢驗的關係式與有用概念（如麥克斯威關係、自由能、勢函數）。
邊界與範圍：熱力學主要描述靜態（平衡）關係；真正的時間演化要靠非平衡熱力學／輸運理論承接。
宏觀的本質：熱力學量反映大量微觀自由度的集體平均；微觀劇烈、宏觀平穩，這正是可預測性的來源。
