热力学

，热从较热处（锅炉）流向较冷处（冷凝器），在这一过程中有一系列活塞做了功。]]

热力学（）是物理学的一个分支，研究热现象中能量的转换规律，特别是研究热、功和温度，以及它们与能量和熵的关系。热力学应用于许多科学和工程领域，特别是物理化学、生物化学、化学工程和机械工程，以及气象学等领域。

热力学发端于18世纪对气体和蒸汽机的研究。在19世纪，随着对热机效率和功與热量之間能量轉換的研究。开始建立起热力学定律，标志着热力学理论的成熟。随着研究的深化，热力学研究被拓展到很多方面，比如相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。

热力学的研究对象是由大量微观粒子组成的热力学系统。热力学系统温度、压强和内能等由宏观物理量描述，这些物理量的行为受到四个热力学定律的约束。热力学定律是从实验中总结出来的，但也可以通过统计力学从微观角度来解释。

热力学史
热力学史可追溯到17世纪对气体的研究。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“”的假说。1656年，物理学家和化学家罗伯特·波义耳与罗伯特·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。

对气体的研究导致了蒸汽机的发展。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。1697年，工程师托马斯·塞维利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。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。

蒸汽机的出现和应用极大地推动了热力学的发展。这时候的热力学发展有两个脉络：一个是对热的本质的探索，另一个对热机效率的研究。它们分别导致了热力学第一定律和热力学第二定律的形成.

法国物理学家和工程师尼古拉·卡諾对热机的研究做出了許多卓著的貢獻{{NoteTag|他認為若引擎效率提昇，法國有可能贏得拿破崙戰爭。德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹将能量的转化与守恒推广到机械运动以外的各种过程中，这些研究成果发表在1847年的论文《力的守恒》中。

在这些理论和实验研究的基础上，热力学第一和第二定律在19世纪50年代几乎同时形成。1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯给出了热力学第一定律的数学形式，英国物理学家威廉·约翰·麦夸恩·兰金同年也给出了定律的一个表述。其后这一定律在英国物理学家开尔文勋爵等人的修订下成为物理学中的一条基本定律。克劳修斯在1850年给出了热力学第二定律的第一个表述，并在1854年给出了第二个表述。

熱力學的研究也延伸到化学过程中的能量轉移，例如在1840年科學家杰迈因·亨利·盖斯提出，有關化學反應的能量轉移的研究。出生於愛爾蘭的英國科學家開爾文在1854年首次提出了熱力學明確的定義若系統不在熱力學平衡的狀態，就很難進行精確的熱力學研究。不过在实际应用中，可以考虑近似的热力学平衡；或者划分为若干个子系统，使每个子系统满足平衡条件。

从分子运动的角度来看，在两种情况下，系统可被认为处于平衡态：

快速运动，在所研究的过程的时间尺度上，分子可以遍历它所有可能的状态，使体系很快达到热力学平衡。
慢速运动，在所研究的过程的时间尺度上，可忽略分子运动。

如果在所研究过程的时间尺度上，分子运动介于快速运动和慢速运动之间，系统一般处于非平衡态。所以时间尺度也是热力学中需要考虑的问题。

宏观与微观
宏观系统总是是由大量微观粒子组成的，但经典的熱力學把物質視作“連續體”，不考慮物質的微觀結構。一个热力学系统的环境是与之相互作用的其他热力学系统。热力学环境的一个典型例子是热浴，使系统的温度维持在某特定值。

熱力學系统和环境之间存在物质和能量的交换。能量的交换可以通过两种途径实现：熱和功或者“状态函数”（也叫热力学函数）。状态函数可分为两类：本身具有能量量纲的热力学势，和俩俩配对相乘给出能量量纲的共轭变量。

并非所有宏观物理量都是状态参量，比如热和功。兩者都不是被状态唯一决定的性質，而是在熱力学過程中所產生的能量变化。定律的数学形式为：\Delta E_{\text{int}}\ = E_{\text{int,f}} - E_{\text{int,i}} = Q- W 。第一定律是能量守恒定律对非孤立系统的扩展。此时能量可以以功W或热量Q的形式传入或传出系统。第一定律指出内能這一物理量的存在。系统的内能与系统的外在能量（系統整體運動的動能和系統與環境相互作用的位能）是不同的。该定律也區分了熱與功这两种不同的能量转换方式。
;熱力學第二定律
:孤立系統的熵不會減少，\Delta S \ge 0 。这个表述也被称为熵增原理。熵是研究不可逆过程引入的物理量，是对系统无序程度的衡量。它表征系統透過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。第二定律的一个等效表述是：熱不能自發的從冷處轉到熱處，而不引起其他变化。这指出了相互接觸的两个系統，熱流的方向总是从高温流向低温。任何高溫的物體在不受熱的情況下，都會因为热量流向低温环境而逐漸冷卻。这条定律还说明第二类永动机不可能制造成功。
;熱力學第三定律
:完整晶体於絕對溫度零度時（即攝氏-273.15度），熵增為零。该定律的另一个等效表述是：不可能透過有限過程使系統冷却到絕對零度。
热力学第一和第二定律相结合可以得出一个关于内能的微分表达式，被称作热力学基本关系，是热力学中最重要的方程。

热力学系統
熱力學系統是熱力學研究的对象。它是指一塊有明確定義的區域，所有不在熱力學系統內的區域合稱為環境。包圍系統外圍的表面被称作边界。系統和環境之間是由邊界隔開，系統和環境透過邊界才能交換物質、功或熱。任何通過表面，會影響系統內能能量交换的都需要在能量平衡方程式中考慮。

系统可以是各种各样的。像马克斯·普朗克在1900年時的研究就將系統定義為單一原子周圍有共振能量的區域，薩迪·卡諾在1824年將系統定義為蒸汽机中的蒸氣，克里·伊曼紐爾在1986年有關大氣熱力學的研究中將系統定義為熱帶氣旋的本體。在量子統計力學中會將核素（一個由夸克組成的系統）定義為一個系統。

邊界可分為四種：固定的、活動的、真实的、虛構的。以引擎为例，固定邊界是指活塞固定在某特定位置，因此气体体积不能变化，不會產生功；活動邊界是指允許活塞移動位置，气体推动活塞可以產生功。在封閉系統中，邊界是真实的，而在開放系統中，邊界多半是虛構的。

系統可以依邊界允許的質量或能量交換方式來分類，簡單分類可以分為以下三類比如理想气体定律就是P，V，T这三个变量之间的函数关系，代表了“经典理想气体”这个系统的特殊性质。

当一个变量发生变化时，另一个变量也可能会发生变化，它们之间的响应关系被称为材料的热力学性质，比如热膨胀系数就是体积对温度变化的响应。其他常见的材料性质还有比热容和压缩率。

热力学势
有四个热力学函数具有能量的量纲，单位都为焦耳，这四个量通常称为“热力学势”。它们是。

子学科和應用領域
熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要，對航空工程、航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要，甚至也可以應用在經濟學中

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