Termodinamika se bavi odnosima između promjena energija do kojih dolazi u kemijskim i fizikalnim procesima. Zakoni termodinamike mogu se upotrijebiti za predviđanje smjera u  kojem  će  teći  proces. Zbog toga je ta znanost od velike važnosti kemičarima, jer pomoću znanja o termodinamičkim svojstvima reaktanata i produkata može predvidjeti da
li će se ili ne neka kemijska reakcija odigrati spontano.   Npr., kada se pomiješaju plinoviti H2  i  O2,  termodinamika  nam  kaže  da  bi  trebala  nastati  H2O,  jer  je  H2O  energetski stabilnija od H2 i O2. Poznato je da na sobnoj temperaturi, smjesa H2 i O2 neće dati H2O. Ipak, ako se smjesa zapali (iskrom), eksplozivno nastaje H2O. Nedostatak termodinamike je u tome što ne daje nikakve indikacije o tomu kako će se reakcija brzo odigravati, tj. zakoni termodinamike ne uzimaju vrijeme kao varijablu. Termodinamika govori samo o tome gdje je sustav na početku i gdje je nakon završetka procesa. U slučaju kemijskih reakcija, npr., termodinamika nam može reći da će reakcija ići spontano, ali nam ne može reći kako dugo će trebati do uspostavljanja ravnoteže ili koji će biti put reakcije.

 

Prvi zakon termodinamike temelji se na zapažanju da se energija ne može niti stvoriti niti uništiti u bilo kojem fizikalnom ili kemijskom procesu. Npr. metalna kuglica koja se drži h cm iznad tla ima potencijalnu energiju danu s mgh.   Kada se kuglica pusti ona gubi potencijalnu energiju ali se ta potencijalna energija pretvara u kinetičku energiju, mv2/2. Primjer ilustrira kako se energija ne može niti stvoriti niti uništiti, ali se može prevesti u druge oblike energije.

 

Unutarnja  energija  supstance  (ili  sustava)  sastoji  se  od  svih  oblika  energije  koje supstanca može imati. Uključuje sve kinetičke i potencijalne energije koje su posljedica translacijskih, vibracijskih i rotacijskih gibanja.   Unutarnja energija supstance ovisi zbog toga  o  njezinom  fizikalnom  stanju.  Tako  će  u  plinovitom  stanju  imati  veću  unutarnju energiju nego u tekućem ili krutom stanju. Unutarnja energija je ekstenzivno svojstvo jer ovisi o količini prisutne supstance.