Die Thermodynamik bildet das grundlegende theoretische Gerüst zur Beschreibung von Gleichgewichtszuständen und Energieumwandlungen in Werkstoffsystemen. Im Fokus stehen Zustandsgrößen wie innere Energie, Enthalpie, Entropie und die Gibbs’sche freie Energie G, über die sich Stabilität, Phasengleichgewichte und Triebkräfte für Gefügeumwandlungen quantifizieren lassen.

In der Werkstoffwissenschaft werden thermodynamische Funktionen genutzt, um Phasendiagramme zu berechnen, Löslichkeitsgrenzen und Ausscheidungsgleichgewichte zu bestimmen sowie Reaktions- und Umwandlungstriebkräfte zu bewerten. Die Gibbs freie Energie ist hierbei zentral, da das thermodynamische Gleichgewicht durch das Minimum von G bei vorgegebenen Randbedingungen (T, p, Zusammensetzung) definiert ist.

Experimentelle Thermodynamik (z.B. Kalorimetrie zur Bestimmung von Enthalpien und Wärmekapazitäten) wird mit modellgestützten Ansätzen kombiniert. CALPHAD-Methoden und ab-initio-Thermodynamik erlauben eine konsistente Beschreibung komplexer Mehrstoffsysteme auf Basis thermodynamischer Parameter, die aus Experiment und DFT‑Rechnungen abgeleitet werden.

Die Thermodynamik beschreibt dabei nur den Endzustand (Gleichgewicht) und die zugehörigen Triebkräfte, nicht aber die Geschwindigkeit der Einstellung. Für ein vollständiges Verständnis von Gefügeentwicklung und Eigenschaften müssen thermodynamische Betrachtungen daher immer mit Kinetik (Diffusion, Phasennukleation, Wachstumsraten) und Konstitution (Phasengehalt, Mikrostruktur) verknüpft werden.