大气热力学（汉语拼音：Daqi Relixue；英语：Atmospheric Thermodynamics），应用热力学的基本定律（核心是热力学第一定律和理想气体状态方程），从理论上研究发生在大气中各种热力过程的学科。是动力气象学的一个组成部分。

大气中的热力过程主要是影响大气运动的非绝热过程，它包括辐射、传导和相变三个部分。辐射是指太阳短波辐射、地面和大气的长波辐射对大气的非绝热作用。传导是指湍流热传导（包括对流）对大气的非绝热作用。相变是指通过水的相变过程（包括凝结、升华和蒸发等）对大气的非绝热作用。除上述三种非绝热过程之外，在高层大气还有化学和光化学效应对大气的非绝热作用。

大气的非绝热过程对大气的中期和长期天气演变和气候变化有着极为重要的作用。但对大气的短期天气演变，非绝热作用可以忽略，这就是大气的绝热过程。如果把大气视为由干洁的空气所组成，那么，这种绝热过程称为干绝热过程。