生物热力学也称宏观生物力能学，它广泛应用了物理学中的热力学理论，首先是经典热力学的基本定律，并用热力学参数来表达数量关系。例如，从葡萄糖和果糖合成蔗糖是一个ATP(腺苷三磷酸)的水解过程。这一过程与合成反应相偶联。热力学计算表明这一需能反应的自由能为5.5千卡每克分子。

机体利用新陈代谢产生的能量来维持正常生命，从热力学角度可定量地测量一个生物化学反应过程或生物过程中一定数量的能量所能完成的工作。因此，生物热力学可被定义为对机体的生物和化学过程中与能量相关的定量研究，重点是生物化学反应和生物过程中的热力学规律和应用，主要内容包括Gibbs 自由能和热力学平衡等热力学规律以及与热力学相关的研究如机体内能量转换、蛋白质结构和结合以及物质跨膜输运等受能量控制的生物化学反应或生物过程。

热力学是研究热现象的宏观理论，它以大量分子、原子组成的物质体系为研究对象，所研究的这种体系被称为热力学系统，简称系统，与系统发生质量和能量交换的周围物质统称为环境，系统与环境的分界面称为边界。系统通过边界与环境进行质量的交换及热能和机械能或其它形式能量的传递。总之，热力学是以实验为基础，从能量及能量守恒与转化的观点来分析系统在状态变化过程中热功转换关系和条件的学科。

经典热力学定律只适用于孤立体系，而生命体系是一个开放体系，生命过程是一个和外界环境不断进行物质与能量交换的不可逆过程。近年来不可逆过程热力学研究不断发展，热力学在生物学中的应用大大扩展。例如，经典热力学难以解释的“主动转运”过程(离子在细胞膜内外对抗浓度梯度的运动)，用不可逆过程热力学就能作出较好的说明。

最新的“耗散结构”理论进一步推动了这方面的进展。耗散理论认为：远离平衡态的系统，同样可以是稳定的。这种状态的维持，需要不断有物质与能量的供应，这种状态可以有一定的空间结构，在时间上有一定的运动秩序。而这些正是生命现象的重要特征。