열물리학(Thermal physics)은 물리학의 한 분야로, 열역학(thermodynamics), 통계역학(statistical mechanics), 기체 분자 운동론(kinetic theory of gases)을 결합하여 연구하는 학문이다. 일부 저자들은 열물리학을 열역학과 통계역학 두 분야의 결합으로 보다 느슨하게 정의하기도 한다.
열물리학은 다수의 원자로 이루어진 계(system)에 대한 연구로 볼 수 있으며, 열역학과 통계역학을 통합하는 학문적 성격을 가진다. 거시적 현상인 온도, 압력, 열이 미시적 입자의 운동과 상호작용으로부터 어떻게 도출되는지를 다루는 것을 핵심 주제로 삼는다.
주요 연구 내용으로는 열역학 제0법칙부터 제3법칙까지의 법칙 체계, 에너지 보존, 엔트로피 개념, 정준 확률 분포(canonical probability distribution)가 중심 주제로 다루어진다. 그 밖에 화학 퍼텐셜, 이상 기체의 양자적 특성(페르미온과 보손), 보스-아인슈타인 응축, 깁스 자유 에너지, 헬름홀츠 자유 에너지, 화학 평형, 상평형, 에너지 등분배 정리, 절대 영도에서의 엔트로피, 그리고 평균 자유 행로, 점성, 열전도와 같은 수송 과정 등이 연구된다.
열물리학이라는 용어는 학문의 독립된 세부 분야명이라기보다는, 물리학 교육 과정에서 열과 관련된 세 가지 핵심 과목을 하나의 포괄적 과목으로 묶어 가르치는 학문적·교육적 체계를 지칭하는 데 널리 사용된다. 많은 대학의 물리학과에서 학부 전공 과목으로 개설되며, 열물리학을 다루는 대표적인 교재로는 Daniel V. Schroeder의 An Introduction to Thermal Physics, Charles Kittel과 Herbert Kroemer의 Thermal Physics 등이 있다.
역사적으로 열물리학의 기초는 19세기 증기 기관 연구와 열의 본질에 대한 탐구에서 형성되었다. 초기 열역학 법칙들은 경험적 연구를 통해 정립되었으며, 이후 원자 가설과 볼츠만의 확률론적 추론을 바탕으로 통계역학이 발전하면서 기체 분자 운동론이 입자 운동을 압력과 온도에 연결하는 구체적 미시적 그림을 제공하게 되었다. 이들 학문적 흐름이 결합되어 현대 열물리학의 체계가 성립되었다.
열물리학은 열기관과 냉장고의 설계, 재료 가공, 대기 및 기후 과학, 반도체 소자의 거동, 화학 반응의 열역학 등 폭넓은 응용 분야와 연결되어 있다.
