根据研究目的和内容的不同，热力学可分为工程热力学、物理热力学、化学热力学和生物热力学等几个分支。工程热力学是热力学最先发展的一个分支。它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

工程热力学的基本任务是，通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究，改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环，不断提高热能利用率和热功转换效率。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程，以及溶解吸收或解吸等物理化学过程。

物理热力学主要研究热力学的一般理论基础，研究各种物理现象和物理过程中能量转换的规律。

化学热力学将热力学的基本定律应用于化学过程和物理化学过程，研究化学反应的热效应、化学反应平衡和溶液特性等。

生物热力学是新发展起来的一个富有生命力的分支，研究生物体在生命过程中与环境的能量和质量交换过程，试图用热力学函数来描述生物体生长变化规律。

热力学的研究方法主要有宏观和微观两种，分别对应经典热力学和统计热力学的研究内容。

经典热力学采用宏观的研究方法，视研究对象为连续体，以通过归纳事实而得到的热力学第一定律（各种形式能量在相互转换时总能量守恒）、热力学第二定律（能量贬值）和热力学第三定律（绝对零度不可达到）作为推理的基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数（见热力状态）和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质当作宏观真实存在的物性数据加以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以其分析推理的结果可靠性较高，而且条理清晰。这是它的独特优点。经典热力学的局限性在于，不能说明热现象的本质及其内在原因，所得结论只能应用于有限自然环境内具有有限宏观尺度的物质现象，不能任意推广到时空上均为无限的宇宙和物质的微观结构世界。

统计热力学应用微观的观点来研究热力学规律，从物质的微观结构出发来解释和推断物质的宏观特性。统计热力学的局限性在于，物质结构模型只是物质实际结构的近似描写，所以导出的结果往往不能与实际完全相符。另外，统计热力学还需用到更为繁复的数学工具。

此外，工程热力学主要研究工程与物系吸热、做功等宏观效果，较多应用经典热力学的宏观方法，但也会引用统计热力学的基本观点解释一些现象和过程，乃至基本定律的本质。

人类很早就学会了取火和用火，但直到17世纪末还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”之统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展出了量热技术，为科学观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。1798年，朗福德伯爵B.汤普森（Sir Benjamin Thompson，Count Rumford，1753-03-26～1814-08-21）观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国化学家H.戴维（Humphry Davy，1778-12-17～18829-05-29）用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，德国物理学家、化学家J.R.von迈尔（Julius Robert von Mayer，1814-11-25～1878-03-20）提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。英国物理学家J.P.焦耳（James Prescott Joule，1818-12-24～1889-10-11）于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”，认为能量守恒而且能的形式可以互换的热力学第一定律由此成为了公认客观的自然规律。能量单位焦耳（J）就是以他名字命名的。

热力学理论的形成与当时生产实践中迫切需要合理的、大型且高效的热机有关。1824年，法国物理学家S.卡诺（Sadi Carnot，1796-06-01～1832-08-24）提出了著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围内的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律，但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文（即W.汤姆森，William Thomson，1824-06-26～1907-12-17）根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国物理学家R.克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-01-02～1888-08-24）和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了“熵”。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现做出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学；同时，也形成了“工程热力学”这门技术科学。它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等迅速取得进展。在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律。1906年，德国化学家W.H.能斯特（Walther Hermann Nernst，1864-06-25～1941-11-18）在观察低温现象和化学反应中发现热定理。1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。20世纪以来，对超高压、超高温水蒸气等物性和极低温度的研究不断取得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质（包括制冷剂或冷煤）和㶲（可用能）的研究产生了很大兴趣。