في بدايات علم الكيمياء الفيزيائية، والتي ربما تعود إلى القرن السابع عشر أو على نحو أوقع خلال القرن التاسع عشر، استكشف ممارسوه – الذين كانوا يفتقرون إلى الأدوات الرائعة التي نمتلكها الآن – المظهر الخارجي للمادة بدلا من التعمق في دراسة البنية الداخلية المجهولة آنذاك. وثبت أن ذلك الاستكشاف، عند إجرائه من منظور كمي بدلًا من مجرد سرد الطريقة التي تبدو بها الأشياء، مثمر بصورة استثنائية لا سيما في إطار التخصص الذي صار معروفا باسم «الديناميكا الحرارية».

الديناميكا الحرارية هو علم الطاقة والتحولات التي قد تمر بها. وقد نشأ هذا العلم من ملاحظات عن قدرات المحركات البخارية سجلها المهندسون والفيزيائيون الذين سعوا لاستخراج أكبر قدر من القوة الدافعة من رطل الفحم، أو من رطل الزنك حين اخترعت الكهرباء. وأظن أنه لم يتصور الرواد الأوائل هؤلاء على الإطلاق أن اكتشافاتهم ستنقل بفعالية شديدة إلى علم الكيمياء لدرجة أن تلعب الديناميكا الحرارية دورًا محوريا في فهم التفاعلات الكيميائية وتصل إلى ما هو أبعد مما توحي به عبارة «تحول الطاقة».

لا تزال الديناميكا الحرارية الكيميائية الحديثة تدور حول الطاقة، غير أنه في خضم التوصل للقوانين التي تحكم الطاقة يبدو أننا أحيانًا نكتشف علاقات غير متوقعة بين الخواص المختلفة للمادة في حجمها الطبيعي. وتكمن فائدة ذلك في أن قياسات إحدى الخواص يمكن استخدامها للتعرف على خواص أخرى ربما لا تكون خاضعة بسهولة للقياس.

توجد حاليا أربعة قوانين للديناميكا الحرارية، مرقمة اعتباطيا إلى حد ما من الصفر وحتى ثلاثة. يرسي القانون الصفري مفهوم درجة الحرارة، وعلى الرغم من أن لدرجة الحرارة أهمية أساسية عند مناقشة جميع أشكال المادة وخواصها، أرى أن أساسها المفاهيمي والمنطقي لا يعد موضع اهتمام كبير لعالم الكيمياء الفيزيائية العادي ولذا لن نتطرق إليه أكثر من ذلك. يقدم القانون الأول مبدأ حفظ الطاقة المهم للغاية، أما القانون الثاني فيتناول خاصية الإنتروبي الرائعة على نحو كبير، ويعرض القانون الثالث عدم إمكانية الوصول بالحرارة إلى الصفر المطلق، وهو الأمر الذي يبدو محبطًا. ونظرًا إلى أنه لا يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية عند الصفر المطلق، فربما يبدو القانون الثالث غير مهم كثيرًا بالنسبة إلى علماء الكيمياء الفيزيائية، ولكنه على أرض الواقع يلعب دورًا مهما حيال الطريقة التي يستخدمون بها البيانات ولا يمكنني أن أتجاهله. إننا نجد أغلب العلاقات بين الخواص القابلة للقياس في إطار القانون الثاني.