Die Wärmelehre (Thermodynamik) behandelt alle Vorgänge, in denen Wärmeenergie eine Rolle spielt.
Dabei gibt es einmal die klassische makroskopische Sichtweise, die thermodynamische Systeme durch stetige Zustandsfunktionen und -größen beschreibt, wie innere Energie, Volumen oder Temperatur. Ein umfassendes Verständnis liefert allerdings erst die mikroskopische Sichtweise der Statistischen Physik, die z. B. Wärmeenergie als gemittelte ungerichtete Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen erklärt. Die Quantenstatistik geht dabei von den Gesetzen der Quantenphysik aus, von denen die makroskopischen Größen durch Mittelwertbildung abgeleitet werden.
Zentrale Begriffe der Wärmelehre sind innere Energie, Arbeit, Wärme und Entropie, die Beziehungen zwischen ihnen werden durch die Hauptsätze der Wärmelehre festgelegt. Wichtige Anwendungsgebiete sind Wärmekraftmaschinen, also die Ausnutzung von Wärmeenergie zum Verrichten von mechanischer Arbeit, und Kältemaschinen.