热力学和统计力学的研究
热是与物质分子成分的随机运动或辐射相关的一种内能形式。温度是体内一部分内能的平均值(它不包括分子结合或分子旋转的能量)。物质的最低可能能量状态定义为温度的绝对零度(-273.15°C或-459.67°F)。一个孤立的物体最终达到均匀的温度，这种状态称为热平衡，两个或多个接触的物体也是如此。对处于(或接近)热平衡的物质状态的正式研究称为热力学;它能够分析各种热系统，而无需考虑其详细的微观结构。
第一定律
热力学第一定律是力学的能量守恒定律(即，对于孤立系统中的所有变化，能量保持不变)，推广到包括热量。
第二定律
热力学第二定律断言，如果没有外部设备(例如冰箱)的干预，热量不会从温度较低的地方流向温度较高的地方。熵的概念涉及测量构成系统的粒子的无序状态。例如，如果多次抛硬币会导致正面和反面的随机序列，则结果的熵比正面和反面倾向于成簇出现的情况要高。第二定律的另一个表述是，孤立系统的熵永远不会随着时间的推移而减少。
第三定律
热力学第三定律指出，温度绝对零度处的熵为零，对应于最有序的可能状态。
统计力学科学从其分子成分的机械性质中得出系统的体积特性，假设分子混沌并应用概率定律。关于粒子的每种可能配置的可能性相同，混沌状态(最大熵的状态)比有序状态的可能性大得多，以至于一个孤立的系统将演变成它，如热力学第二定律所述。这种推理以数学上精确的形式放置，是统计力学的典型特征，它能够推导出热力学定律，但在描述仅描述平均行为的热力学定律的波动(即暂时偏离)时超越了它们。波动现象的一个例子是悬浮在流体中的小颗粒的随机运动，称为布朗运动。
量子统计力学在许多其他现代科学领域发挥着重要作用，例如，在等离子体物理学(研究完全电离气体)、固态物理学和恒星结构研究中。从微观的角度来看，热力学定律意味着，虽然任何孤立系统的能量总量是恒定的，但当系统通过机会定律的运作无情地移动到增加无序状态直到最终达到最大无序状态(最大熵)时，可以称为这种能量的质量会退化， 其中系统的所有部分都处于相同的温度，并且国家的任何能量都不能被有效利用。当应用于整个宇宙，被认为是一个孤立的系统时，这种最终的混沌状态被称为“热寂”。
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