Keterampilan proses sains (KPS) merupakan aspek penting dalam pembelajaran fisika karena berperan dalam membentuk cara berpikir logis dan sikap ilmiah peserta didik. Namun, keterbatasan sarana praktikum dan pembelajaran yang masih bersifat teoritis menyebabkan rendahnya keterlibatan peserta didik dalam aktivitas ilmiah secara langsung. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan modul Termodinamika berbasis Problem Based Learning (PBL) yang dirancang untuk melatihkan keterampilan proses sains peserta didik, serta menguji kelayakannya ditinjau dari aspek validitas, kepraktisan, dan efektivitas. Penelitian ini merupakan jenis Research and Development (R&D) dengan menggunakan model pengembangan ADDIE. Instrumen yang digunakan meliputi instrumen tes berupa soal KPS dan instrumen non-tes berupa lembar validasi serta lembar observasi keterlaksanaan pembelajaran. Uji coba dilakukan pada 34 peserta didik kelas XI-1 SMAN 1 Alalak. Data dianalisis dengan meninjau rata-rata nilai validitas, keterlaksanaan langkah-langkah pembelajaran pada modul ajar, dan hasil tes keterampilan proses sains. Hasil penelitian menunjukkan bahwa modul memiliki tingkat validitas sebesar 87,54% (kategori sangat valid), kepraktisan sebesar 83,66% (kategori sangat praktis), serta mampu melatihkan keterampilan proses sains peserta didik dari 31,70% (kategori kurang) menjadi 87,91% (kategori sangat baik). Dengan demikian, modul Termodinamika berbasis Problem Based Learning ini dinyatakan layak dan efektif digunakan untuk melatihkan keterampilan proses sains dalam pembelajaran fisika.