Кафедра теплофізики створена в 1963 р. професором В.О. Федосєєвим, що одночасно був науковим керівником Проблемної науково - дослідної лабораторії аеродисперсних систем (зав. лаб. О.В. Гернет). Наукова школа, очолювана В.А. Федосєєвим, здійснювала фундаментальні і прикладні дослідження в області високо- і низькотемпературних процесів тепломассообміну, конденсації, випарювання і хімічних реакціях в аерозолях. Одночасно запровадився великий цикл дослідних робіт з горіння часток металів у різних середовищах, піротехнічних складів, крапель рідких палив і диспергованого вугілля (Г.О. Мохов, К.В. Романов, В.І. Глухов, А.П. Гребєнщикова, С.М. Контуш, М.М. Чесноков, В.В. Калінчак). Застосування гігроскопічних речовин для впливу на "теплі" хмари і тумани, використання поверхово-активних речовин для попередження появи радіоактивних туманів, упровадження методу "треків" для оцінки якості диспергованого вугілля, що надходить у топки сучасних великих електростанцій - такі основні практичні застосування фундаментальних досліджень співробітників кафедри і лабораторії В.О. Федосєєв, О.В. Гернет, В.О. Шустов, Г.О. Мохов, К.В. Романов, В.И. Глухов, І.М. Григоренко, С.М. Контуш, А.І. Полянський).
У 80-х формується один з основних напрямків кафедри, зв'язаний з проблемами низькотемпературної плазми з конденсованою дисперсною фазою (професор М.М. Часників - зав. кафедрою з 1979 року, декан фізичного факультету в 1975 - 1981), що привело до створення підсекції в Науковій раді по низькотемпературній плазмі АН СРСР за участю співробітників кафедри (М.М. Чесноков, Г.С. Драган). Професор С.М. Контуш стає науковим керівником Проблемної лабораторії (зав. лаб. І.М. Григоренко). Здійснюються роботи щодо електрофізичних і теплофізичних процесів при фазових і хімічних перетвореннях у високо- і низькотемпературних аерозолях (М.М. Чесноков, С.М. Контуш, В.В. Калінчак, М.Х. Копит, А.В. Суслов), впроваджуються струминні методи з використанням монодисперсного аерозолю (К.В. Романов, Г.М. Ліпатов, С.В. Лопатенко). Ведуться дослідження об'ємної конденсації оксидів, теплофізичних і хімічних властивостей продуктів згоряння металізованих палив (М.М. Чесноков, І.М. Григоренко, Г.С. Драган, В.І. Маренков). Вивчаються процеси фазових переходів у "теплих" хмарах і туманах (В.А. Єршов, К.В. Романов, В.О. Шустов).
Найбільших успіхів колектив кафедри теплофізики і проблемної лабораторії домігся наприкінці 80-х років (зав. каф. проф. М.М. Чесноков, зав. лаб. проф. М.Х. Копит). Створено ряд проблемних груп, студентське конструкторське бюро "Теплофізика". Проводяться теоретичні й експериментальні дослідження процесів поширення полум'я у відкритих дисперсних системах, випарювання і горіння крапель розчинів (В.В. Калінчак, М.Х. Копит), термодифузіофорезу, аспірації і седиментації аерозолів (С.М. Контуш, Г.М. Ліпатов).
У 1996 році завідувачем кафедрою стає професор В.В. Калінчак. Поглиблюються дослідження механізмів взаємовпливу процесів тепломасообмену, фазових і хімічних перетворень у дисперсних системах. Виявляється роль випромінювання, стефановскої течії, внутрішнього реагування в процесах здійснення високо- і низькотемпературних режимів, гістерезису тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій часток і крапель з газами. Досліджується механізм мимовільного переходу часток і крапель з високотемпературних режимів тепломасообміну на низькотемпературні. Широко впроваджуються методи моделювання на ЕОМ процесів тепломасообміну і плазмових явищ у дисперсних системах (В.І. Маренков, С.Г. Орловська). Здійснюються дослідження теплофізичних і фізико-хімічних явищ взаємодії лазерного випромінювання з речовиною М.М. Чесноков, В.В. Калінчак, С.Г. Орловська, Л.І. Рябчук), вивчається вплив електричного поля на кінетику випару крапля розчинів. Досліджуються стійні і критичні режими тепломасообміну твердих тіл з газами при протіканні адсорбційних, корозійних, гетерогенно - каталітичних явищ з метою розробки ресурсо- і енергозберігаючих технологій (В.В. Калінчак, С.Г. Орловська). Проводяться роботи з дослідження і розробки ефективних аерозолеутворюючих сполук для гасіння пожеж і засобів димопридушення (В.В. Калінчак, М.Х. Копит, Ф.Ф. Каримова, В.А. Салов). Ведеться робота з застосування электрогідродинамічних і аерозольних методів для виготовлення тонких напівпровідникових плівок (Г.М. Ліпатов, О.А. Чернова, А.Е. Турецький, В.М. Таволжанский). Дослідження високотемпературних процесів тепломасообміну, електропереносу, фазових і хімічних перетворень у дисперсних системах підтримані Міжнародним фондом "Відродження" у рамках Соросовської програми ISSEP (М.Х. Копит, М.М. Чесноков, В.В. Калінчак, асп. Ж.В. Прудникова, асп. В.И. Садовський, ст. О.Н. Коропатов, ст. А.В. Євдокимов). У 1998 році гранти Соросовських професорів одержують доценти кафедри теплофізики Г.М. Ліпатов, В.І. Маренков.
Наукову працю викладачі і студенти кафедри виконують у Проблемній лабораторії аерозолів (зав. лаб. проф. М.Х. Копит) і науково - дослідній лабораторії "Високотемпературні і плазмені процеси в дисперсних системах" (зав. лаб. доцент С.Г. Орловська). Кафедрою теплофізики разом з кафедрою загальної і хімічної фізики видається збірник наукових праць "Фізика аеродисперсних систем". Праці колективу кафедри теплофізики і науково - дослідних лабораторій аерозолів і плазмених явищ у дисперсних системах гідно оцінені в країнах ближнього і дальнього зарубіжжя, послужили базою для проведення міжнародних конференцій по проблемах випару, горіння і газової динаміки аеродисперсних систем. У 1998 р. відбулася XVIII конференція країн СНД "Дисперсні системи" присвячена 40-річчю відкриття Проблемної науково- дослідної лабораторії фізики аеродисперсних систем, а в 2000 році відбулася XIX конференція країн СНД "Дисперсні системи" присвячена 90-річчю з дня народження доктора фізико-математичних наук В.О. Федосєєва. В даний час у лабораторіях і на кафедрі теплофізики працюють чотири доктори наук М.М. Чесноков, В.В. Калінчак, М.Х. Копит, А.В. Суслов), одинадцять кандидатів наук, учаться шість аспірантів. Викладачами кафедри є Калінчак В.В. - завідувач кафедрою, Орловська С.Г., Ліпатов Г.Н., Маренков В.І., Копійка О.К., Драган Г.С.