Thermische fysica is de gecombineerde studie van thermodynamica, statistische mechanica en kinetische theorie. Dit overkoepelende onderwerp is typisch bedoeld voor natuurkundestudenten en heeft tot doel een algemene inleiding te geven in elk van de drie kernonderwerpen die met warmte te maken hebben. Andere auteurs definiëren thermische fysica echter losjes als een optelsom van alleen thermodynamica en statistische mechanica.
Thermische fysica is, algemeen gesproken, de studie van de statistische aard van fysische systemen vanuit een energetisch perspectief. Beginnend met de grondbeginselen van warmte en temperatuur, analyseert de thermische fysica de eerste en tweede wet van de thermodynamica vanuit statistisch perspectief, in termen van het aantal microtoestanden dat overeenkomt met een bepaalde macrotoestand. Bovendien wordt het begrip entropie bestudeerd via de kwantumtheorie.
Een centraal onderwerp in de thermische fysica is de canonieke kansverdeling. De elektromagnetische aard van fotonen en fononen wordt bestudeerd, waaruit blijkt dat de oscillaties van elektromagnetische velden en van kristalroosters veel gemeen hebben. Golven vormen een basis voor beide, mits men de kwantumtheorie erbij betrekt.
Andere onderwerpen die in de thermische fysica worden bestudeerd zijn: chemische potentiaal, het kwantumkarakter van een ideaal gas, d.w.z. in termen van fermionen en bosonen, Bose-Einstein-condensatie, vrije energie van Gibbs, vrije energie van Helmholtz, chemisch evenwicht, fase-evenwicht, het equipartitietheorema, entropie bij het absolute nulpunt, en transportprocessen als gemiddelde vrije weg, viscositeit en geleiding.
Er zijn twee soorten thermodynamische instrumenten, de meter en het reservoir. Een thermodynamische meter is een apparaat dat een parameter van een thermodynamisch systeem meet. In sommige gevallen wordt de thermodynamische parameter feitelijk gedefinieerd in termen van een geïdealiseerd meetinstrument. Zo stelt de nulwet dat als twee lichamen in thermodynamisch evenwicht zijn met een derde lichaam, zij ook in thermodynamisch evenwicht zijn met elkaar. Dit principe, zoals opgemerkt door James Maxwell in 1872, stelt dat het mogelijk is de temperatuur te meten. Een geïdealiseerde thermometer is een monster van een ideaal gas bij constante druk.
Een thermodynamisch reservoir is een systeem dat zo groot is dat het zijn toestandsparameters niet merkbaar verandert wanneer het in contact wordt gebracht met het testsysteem.
Het is belangrijk dat deze twee soorten instrumenten van elkaar worden onderscheiden. Een meter verricht zijn taak niet nauwkeurig indien hij zich gedraagt als een reservoir van de te meten toestandsvariabele. Als bijvoorbeeld een thermometer zich zou gedragen als een temperatuurreservoir, zou hij de temperatuur van het te meten systeem veranderen en zou de aflezing onjuist zijn. Ideale meters hebben geen invloed op de toestandsvariabelen van het systeem dat zij meten.