Die Thermodynamik von Werkstoffen beschreibt die Beziehungen zwischen Zustandsgrößen wie Temperatur, Druck, chemischem Potential und Zusammensetzung sowie deren Einfluss auf Struktur, Phasenbestand und Eigenschaften von Materialien. Zentrales Ziel ist die Vorhersage des Gleichgewichtszustands eines Systems, also jener Konfiguration mit minimaler Gibbs’scher Freien Enthalpie unter gegebenen Randbedingungen.

Ausgangspunkt ist die Definition thermodynamischer Potentiale (innere Energie, Enthalpie, Helmholtz- und Gibbs-Energie) und deren Differentialbeziehungen. Für Vielstoffsysteme wird insbesondere das chemische Potential als treibende Kraft für Diffusion, Phasenumwandlungen und chemische Reaktionen herangezogen. Stabilität und Phasenselektion werden durch die Krümmung der freien Enthalpie in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung bestimmt.

In der Werkstofftechnik ist die Anwendung der Thermodynamik zentral für die Interpretation und Berechnung von Phasendiagrammen, der Löslichkeitsgrenzen, Ausscheidungsreaktionen sowie der Ordnung–Unordnung-Übergänge. CALPHAD-Methoden (CALculation of PHAse Diagrams) nutzen thermodynamische Modelle und experimentelle Daten zur parametrischen Beschreibung von Phasen und ermöglichen so die rechnergestützte Legierungsentwicklung.

Neben dem Gleichgewicht spielt auch die Kombination mit Kinetik eine wichtige Rolle: Während die Thermodynamik die treibende Kraft für Transformationsprozesse liefert, beschreibt die Kinetik deren zeitlichen Verlauf. Für moderne Werkstoffkonzepte, etwa Hochentropielegierungen oder Energiewerkstoffe (Batterien, Brennstoffzellen), ist eine präzise thermodynamische Beschreibung unverzichtbar, um Stabilität, Degradationspfade und Betriebsfenster quantitativ zu erfassen.