热力学

热力学史

热力学史可追溯到1650年格里克设计和建造了世界上第一个真空泵，并用马德堡半球实验证明了真空的存在，推翻了亚里士多德提出的“自然界厌恶真空”的假说。1656年，物理学家和化学家罗伯特·波义耳借鉴格里克的设计，与罗伯特·胡克发明了抽气机。利用抽气机，波义耳和胡克证明了压强、温度和体积之间有一定的关系，波义耳给出了波义耳定律，对于一定温度下的一定量的气体，压强与体积成反比。1679年，波义耳的助手丹尼斯·帕潘发明了蒸汽蒸煮器，这是一个严密封盖的容器，里面会产生高压气体。帕潘后来对他发明的蒸煮器做了改进，加装了放气阀门，避免爆炸。帕潘观察到了阀门的周期性的运动，构想出活塞和汽缸蒸汽机，但是他没有去实现自己的想法。1697年，工程师托马斯·萨弗里在帕潘的设计的基础上，发明了第一个蒸汽机。随后，1712年，汤玛斯·纽科门也发明了一种蒸汽机。这些早期的蒸汽机非常粗糙，效率很低，但吸引了当时顶尖的科学家的注意。
1759年，詹姆斯·瓦特开始设计蒸汽机，屡经失败。瓦特向格拉斯哥大学的教授约瑟夫·布拉克求教。布拉克向其讲解了自己提出的热容和潜热的概念，瓦特还想出了分离冷凝器的想法，终于显著提高了蒸汽机的效率。尼古拉·卡诺总结前人工作，在1824年发表著作《论火的动力》。这部著作论述了卡诺热机和卡诺循环的关系。这部著作是热力学成为现代科学的标志，卡诺也被称作热力学之父。
19世纪50年代，热力学第一和第二定律同时形成，主要完成者是威廉·约翰·麦夸恩·兰金、鲁道夫·克劳修斯和威廉·汤姆森。1859年，史上第一部热力学教科书出版，作者是兰金。
统计热力学的创立者包括：麦克斯韦、玻尔兹曼、普朗克、克劳修斯、吉布斯。

分支学科

热力学系统是理论上构建出来，以热力学定律研究有物质和能量交换的物理系统。热力学系统的研究可分为几个分支学科，各自有不同的基本模型，或采用不同的原理。

经典热力学

经典热力学用不随时间改变的平衡态或者连续的循环过程描述和研究热力学系统。应用的物理量是不随时间改变的实验可测量的宏观平衡态的物理量，即物理量的长时间平均的量不随时间改变，比如循环过程的流。

热力学设备

热力学设备可分为二种，分为是仪表（meter）和源（reservoir）。热力学仪表是指任何可以量测热力学系统中参数的设备。有时热力学的参数是用理想的量测仪表来定义，例如热力学第零定律说明若二个物体分别和一个物体达到热平衡，这二个物体之间也达到了热平衡达到热平衡。麦克斯韦在1872年时提出热力学第零定律，也提到可以量测温度的方式。理想的温度计是在定压下定量的理想气体，根据理想气体定律PV=nRT，气体的体积即可用来表示压强，虽然压强是用力学的方式定义，也可以用定温下定量的理想气体的体积来当作理想的气压表。热量计则是量测系统内能及能量变化的设备。
热力学源是指一个很大的系统，和测试系统接触时其特定状态几乎不会变化。热力学源一般是用来将系统的状态施加到某一特定数值。像压强源是在特定压强下的系统，和其他系统连接后，会使其他系统的压强等于该特定值。地球的大气常作为压强源。热力学中常见的热力学源是热库，是特定温度下的系统，像卡诺循环中就用到了高温热库及低温热库。

局限性

热力学由于发展较早，也有其自身的局限性，主要表现在：
＃它仅适用于粒子很多的宏观系统;
＃它主要研究物质在平衡态下的性质，并不解答系统达到平衡态的详细过程;
＃它把物质视作“连续体”，不考虑物质的微观结构。
统计物理学与热力学结合起来研究热现象常常可以弥补以上局限性。