Η θερμοδυναμική μηχανική είναι η εφαρμογή των θερμοδυναμικών αρχών σε προβλήματα μηχανικού σχεδιασμού. Τα πανεπιστήμια διαθέτουν θερμοδυναμικές ειδικότητες εντός των τμημάτων μηχανολογίας στα κολέγια μηχανικών τους. Η θερμοδυναμική μηχανική μπορεί να αναφέρεται σε βιομηχανικές θερμοδυναμικές εφαρμογές στον τομέα της μηχανολογίας, που αναφέρεται επίσης ως μηχανική θερμοδυναμικής διεργασίας.
Η Θερμοδυναμική χρησιμοποιεί αυστηρά καθορισμένους κανόνες για τη μοντελοποίηση φυσικών και πειραματικών ενεργειακών γεγονότων. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής δηλώνουν τα εξής: ο ορισμός της θερμοκρασίας και της ροής θερμότητας, ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, ότι μικρές ποσότητες της αρχικής ενέργειας ενός συστήματος χάνονται πάντα από τη μια κατάσταση στην άλλη και ότι για να πέσει η θερμοκρασία , πρέπει να χάνεται επαρκής ποσότητα θερμικής ενέργειας. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν στην επιστήμη της θερμοδυναμικής βοηθούν τους μηχανικούς να υπολογίζουν τις αλλαγές πίεσης, όγκου και θερμοκρασίας σε οποιοδήποτε αριθμό εφαρμογών και πεδίων σπουδών.
Τα μαθήματα του κολλεγίου στη μηχανική θερμοδυναμική είναι συνήθως μέρος ενός μεταπτυχιακού προγράμματος στο πλαίσιο του κλάδου μηχανολογίας που οδηγεί σε μεταπτυχιακό ή διδακτορικό δίπλωμα. Τα προπτυχιακά μαθήματα όπως η μηχανική ρευστών, τα θερμοδυναμικά συστήματα και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης οδηγούν σε πιο σύνθετες σπουδές. Τα μεταπτυχιακά μαθήματα μπορεί να αποτελούνται από εφαρμοσμένα μαθηματικά, στατιστική και θερμοδυναμική ισορροπίας, δυναμική αερίων, δυναμική ρευστών, μετατροπή ενέργειας, ενεργειακή δυναμική και καύση.
Οι βιομηχανίες θερμοδυναμικής μηχανικής σχεδιάζουν, δοκιμάζουν και αναπτύσσουν προϊόντα που απαιτούν περιορισμούς στην πίεση, τη θερμοκρασία και τον όγκο. Οι αεροναυτικές εταιρείες ασχολούνται με την εφαρμογή των θερμοδυναμικών αρχών στο σχεδιασμό και την κατασκευή πυραυλικών συστημάτων. Οι εταιρείες ελέγχου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, θερμικής επεξεργασίας και εξοπλισμού ισχύος εφαρμόζουν αρχές θερμοδυναμικής μηχανικής στο σχεδιασμό και τη δοκιμή αποτεφρωτηρίων, πλυντηρίων, φίλτρων, κλιβάνων, ξηραντηρίων, κλιβάνων και λεβήτων. Άλλες εταιρείες θερμοδυναμικής μηχανικής σχεδιάζουν και κατασκευάζουν εξαρτήματα δοκιμών, όπως περιβαλλοντικούς θαλάμους με φούρνους και ψυγεία για τη δοκιμή της ανοχής στη θερμότητα των υλικών και θερμοστοιχεία για ανάγνωση και ανάδραση των μεταβαλλόμενων θερμοκρασιών δοκιμής.
Οι παραδοσιακές βιομηχανίες ηλεκτρικής ενέργειας, όπως οι σταθμοί με καύση άνθρακα και ατομικής ενέργειας, εφαρμόζουν θερμοδυναμικές αρχές σε μεγάλη κλίμακα. Η πράσινη επανάσταση που ενθαρρύνει εναλλακτικές και καθαρές πηγές ενέργειας, όπως η παθητική ηλιακή ενέργεια, η ενεργή ηλιακή ενέργεια, το νερό, ο άνεμος και η ηλεκτρική ενέργεια, απαιτούν δεξιότητες θερμοδυναμικής μηχανικής για τον υπολογισμό των ενεργειακών ισοζυγίων σε συστήματα ανταλλαγής για θέρμανση, ψύξη και λειτουργία ηλεκτρικών δικτύων τόσο για τη στέγαση όσο και για τη βιομηχανία . Η χημική θερμοδυναμική μηχανική λαμβάνει υπόψη συστήματα που παρουσιάζουν αλλαγή κατάστασης σε τομείς τόσο διαφορετικούς όπως η χαλυβουργία και η παραγωγή σωματιδίων μεγέθους νανο στο σχεδιασμό ευφυών υλικών.