熱工學是研究熱能與機械能轉換的基本理論和熱量傳遞的客觀規律，以及運用這些規律對熱工過程、熱力循環進行分析和計算，以實現能量的有效與合理利用的科學。
熱工學的主要分支包括工程熱力學和傳熱學，其中工程熱力學主要研究熱力學機械的效率和熱力學工質參與的能量轉換在工程上的應用，例如將熱力學能轉化成機械能推動動力機械做功以及其效率。而傳熱學是研究熱量傳遞的一門學科，包括反應堆的導熱、對流換熱、輻射能的傳遞等。
此外，熱工學還涉及建築熱工學，這是研究建築物室內外熱溼作用對建築圍護結構和室內熱環境的影響，以及如何創造適宜的室內熱環境以滿足人們工作和生活的需要的學科。