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La thermolyse (ou décomposition thermique, ou dissociation thermique) est une décomposition chimique causée par la chaleur, une rupture des molécules conduisant à des composés moins complexes, qui peuvent à leur tour se décomposer si la température augmente. L'énergie apportée doit rester dans certaines limites au-delà desquelles d'autres processus interviennent, notamment de combustion ou de calcination. Le processus peut faire apparaître des espèces qui seraient instables à température ambiante.
La thermolyse est en général une réaction endothermique du fait de la chaleur nécessaire pour casser les liens chimiques des composants subissant cette décomposition. La température de décomposition d'une substance est la température à laquelle la substance se décompose chimiquement. Si la décomposition est suffisamment exothermique, un emballement de la réaction peut conduire à une explosion, l'excès de chaleur entretenant la réaction de décomposition.