Η θερμική επιστήμη είναι ένας κλάδος της επιστημονικής έρευνας που ασχολείται ειδικά με τη θερμότητα και την ενέργεια, μέσω της θερμοδυναμικής και της μεταφοράς θερμότητας. Η θερμική επιστήμη χρησιμοποιείται σε πολλές πρακτικές εφαρμογές, όπως συστήματα θέρμανσης, παραγωγή ενέργειας, αλλά και πειραματικά. Η θερμική επιστήμη θεωρείται συνήθως κλάδος της μηχανικής, επειδή σε πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιείται συχνότερα από μηχανικούς που προσπαθούν να σχεδιάσουν πιο ασφαλή και αποδοτικά συστήματα θέρμανσης και παραγωγής ενέργειας.
Η θερμική επιστήμη εξετάζει πρώτα τη θερμοδυναμική, η οποία είναι ένας κλάδος της φυσικής που ενσωματώνει πολλές μεταβλητές και πώς αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν θερμότητα ή ενέργεια. Η Θερμοδυναμική εξετάζει την αλληλεπίδραση θερμοκρασίας, πίεσης και όγκου μέσα σε ένα σύστημα για τη δημιουργία θερμότητας, ενέργειας ή και των δύο. Η μεταμόρφωση της ενέργειας στην επιδίωξη ισχύος και θερμότητας είναι το επίκεντρο της θερμοδυναμικής, η οποία αναφέρεται στην ενεργειακή έξοδο μιας συσκευής ως «έργο», τη δύναμη που απαιτείται για να κινηθεί ένα αντικείμενο. Η θερμοδυναμική διέπεται από διάφορους κανόνες, όπως και οι περισσότεροι επιστημονικοί κλάδοι.
Ο πρώτος κανόνας είναι ότι δεν είναι δυνατό να εξαχθεί περισσότερη ενέργεια από ένα σύστημα από ό,τι εισέρχεται, επειδή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί μόνο σε νέα μορφή, όχι να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Το δεύτερο είναι ότι όλες οι μηχανές θα χάσουν την απόδοση μεταξύ της ενέργειας εισόδου και εξόδου σε μια διαδικασία που ονομάζεται εντροπία, όπου η ενέργεια στην πραγματικότητα χάνεται. Αυτοί οι κανόνες διέπουν τα συστήματα μετατροπής ενέργειας από τα υδροηλεκτρικά φράγματα στον βενζινοκινητήρα και αποτελούν κρίσιμο μέρος της θερμοδυναμικής.
Η θερμική επιστήμη είναι μια προσπάθεια εξισορρόπησης της μεταφοράς θερμότητας και των νόμων της θερμοδυναμικής σε μια προσπάθεια να βγει μπροστά κατά την παραγωγή ενέργειας. Η θερμική επιστήμη ενσωματώνει διάφορους επιστημονικούς κλάδους, όλοι ασχολούνται με την ενέργεια, καθώς επιστήμονες και μηχανικοί συνεργάζονται για να χρησιμοποιούν τη θερμική ενέργεια πιο αποτελεσματικά. Η θερμική επιστήμη εξετάζει νέους τρόπους εξαγωγής θερμότητας, μόνωσης ενέργειας και αξιοποίησής της με τον πιο πρακτικό δυνατό τρόπο.
Οι σπουδαστές της θερμικής επιστήμης ενδιαφέρονται να εξερευνήσουν εναλλακτικούς τρόπους συλλογής ενέργειας, καθώς και να μεγιστοποιήσουν την ανθρώπινη ασφάλεια γύρω από τα συστήματα μετατροπής ενέργειας. Όταν η θερμική επιστήμη χρησιμοποιείται σε πρακτική εφαρμογή, οι μηχανικοί εξετάζουν τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας αντικειμένων ή ενεργειακών συστημάτων, καθώς και προσπαθούν να προσδιορίσουν ποια είναι η συνολική ισορροπία ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα. Επιπλέον, οι μηχανικοί εξετάζουν τις αρχές της θερμοδυναμικής, οι οποίες περιλαμβάνουν χημικές και φυσικές αντιδράσεις εκτός από τους πρωτεύοντες νόμους.
Όταν χρησιμοποιούνται θεωρητικά, οι φυσικοί που επικεντρώνονται στη θερμική επιστήμη ενδιαφέρονται να διερευνήσουν πώς μετατρέπεται η ηλεκτρική ενέργεια και πώς μπορούν να βελτιωθούν τα συστήματα μετατροπής ενέργειας. Η μελέτη της θερμικής επιστήμης σε θεωρητικό επίπεδο οδήγησε στην εισαγωγή πολλών συσκευών εξοικονόμησης ενέργειας, καθώς και στην αύξηση της απόδοσης και της ασφάλειας. Και στις δύο περιπτώσεις, η θερμική επιστήμη εξετάζει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φυσικών και χημικών διεργασιών και το αποτέλεσμα.