热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科
热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科，
与统计数学学分别构成了力学理论的宏观和微观两个方面。
热力学主要从能量转化的观点来研究物质的热性质，
它提示了能量从一种方式转换为另一种方式时遵照的宏观规律，
总结了物质的宏观现象而得到的力学理论。
初期发展
热是人类最早发觉的一种自然力，
是月球上一切生命的源泉。
——恩格斯
对气温的研究1593年，伽利略借助空气热胀冷缩的性质，制成了体温计的雏型。
1702年，阿蒙顿制成空气湿度计，但不确切。
1724年，法国工人华伦海特，首先使用水银取代酒精，完善了华氏温标。
1742年，法国的摄尔修斯定义水的沸点为零度，冰的熔点为100度，后施勒默尔将两个固定点倒过来，完善了摄氏温标。
1779年，全世界有温标19种。
1854年，开尔文提出开氏温标，得到世界公认。
热力学第零定理
假如两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡，这么它们也必将处于热平衡。也就是说热平衡是传递的。
热力学第零定理是热力学三大定理的基础，它定义了体温。
由于在三大定理以后，人类才发觉其重要性，故称为"第零定理"
这么气温究竟是哪些啊？
从热力学第零定理来看，处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特点，这一特点是由这种互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数就是分子热运动的平均动能，就是室温。
热机的发展
“蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又否认了一个巨大的历史进步。”瓦特蒸气机原理图
1695年，西班牙人巴本第一个发明蒸气机，但操作不便，不安全。
1705年，钮科门和科里制造了新蒸气机，有一定实用价值，但用水冷却汽缸，能量损失很大。
1769年，西班牙技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断续变连续，因而蒸气机的使用价值大大提升，造成了法国的工业革命。
1785年，热机被应用于纺织。
1807年，热机被日本人富尔顿应用于客轮，1825年被用于列车和高铁。
量力学和热传导理论的构建
18世纪前半叶，人们对哪些是体温，哪些是热量的概念含混不清，力学要发展，有关力学的一系列概念就须要有科学的定义。
1744年开始，圣彼得堡教授里赫曼，美国人布拉克和他的中学生伊尔文等逐渐工作，总算在1780年前后，气温、热量、热容量、潜热等一系列概念都已产生。
热本性说的争辩
觉得热是一种物质，即热质说。
代表人物：伊壁鸠鲁、傅里叶、卡诺。
觉得热是物体粒子的内部运动。
代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，伦福德。
她们觉得：“尽管看不到，也不能够定分子运动是存在的。”
罗蒙诺索夫（1711-1765）
俄罗斯杰出的科学家，唯心主义哲学家，生于法国一个渔船家庭。1735年在圣彼得堡科大学学习，1736年到美国留学，1745年任院长，科大学教授，随即任克拉科夫学院院长，1755年创立圣彼得堡学院。
在数学学上，他首创了原子分子论学说，完善了热运动论学说，提出物质和运动守恒的概念。在物理上，提出了物质不灭定理。
另外在哲学、地质学、天文学、大气热学、航海等诸方面都有不少独特的看法。
热力学第一定理的构建
诞生背景
1836年，俄罗斯赫斯：“不论用哪些方法完成化合，由此发出的热总是恒定的。”
1830年，比利时萨迪·卡诺：“准确地说，它既不会创生也不会剿灭，实际上，它只改变了它的方式。”
为蒸气机的进一步发展，急切须要研究热和功的关系，以增强热机效率，适应生产力发展的须要。
能量转化与守恒思想的萌发。
三位重要科学家迈尔（1814-1878）
迈尔，美国科学家，曾是一位随船大夫，在一次驶往菲律宾尼西亚的航行中，给得病的海员做放疗时，发觉血的颜色比热带地区的新鲜红亮，这导致了迈尔的思索。
他觉得，食物中富含的物理能，可转化为热能，在温带情况下，机体中燃烧过程减弱，因此留下了较多的氧。
迈尔的推论：“力（能量）是不灭的，而是可转化的、不可称量的客体”。
迈尔在1841年、1842年撰文发表了他的观点。在1845年的论文中，更明晰写道：“无不能生有，有不能变无。”“在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。”
迈尔是将力学观点用于有机世界研究的第一人。恩格斯对迈尔的工作给与很高的评价。
迈尔大夫从医学角度出发，提出了热力学第一定理，结果却被当作“民科”对待，化学学界对他极尽严打之能，逼得迈尔大夫精神疏密，住进了精神病院，化学学家们也不是白莲花，党同伐异一点不比东林党差。亥姆霍兹（1821-1894）
日本科学家，他觉得大自然是统一的，自然力（即能量）是守恒的。
1847年，发表知名论文《力的守恒》，把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒。
亥姆霍兹汲取了迈尔大夫的教训，由于他也是个大夫，在论文开头就写明了“论文主要是面对化学学家”。
亥姆霍兹的论文论据明晰，论点充分，化学学界此次不很多说哪些了，只得说实验呢？没有实验就哪些也别提了。
于是又一位“民科”焦耳站了下来，尽管没有遭到过正规的科学教育，但焦耳是一个有文化的民科，凭一腔热情能够总结出“焦耳定理”。焦耳（1818-1889）
日本知名的实验化学学家，家境富裕。16岁在名家道尔顿处学习，使他对科学形成浓浓兴趣。
1841年，当时马达刚出现，焦耳发表文章强调：“热量与导体内阻和电压平方成反比”。这就是知名的焦耳——楞次定理。
探索热和得到的或丧失的机械功之间是否存在一个恒定的比值，又成了焦耳感兴趣的问题。
1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。
1849年发表《论热功当量》。
1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85公斤·米/卡路里。
热力学第一定理：能量转化和守恒定理
能量既不能陡然形成，也不能陡然消失，它只能从一种方式转化为另一种方式，或则从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总数不变。
焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400多次，付出大量的辛劳劳动。
能量守恒和转化定理是自然界基本规律，恩格斯曾将它和进化论、细胞学说并列为三大发觉。
热力学第一定理让学界很没有面子，几个“民科”出手就搞定了。
小结
理论——迈尔
迈尔是明晰提出“无不能生有”，“有不能变无”的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是构建热力学第一定理的基础。
实验——焦耳
因为焦耳悉心严谨地进行了热功当量测定等一系列实验，奠定了热力学第一定理的实验基础，得到了人们的认同。
一批不懈努力的科学家
亥姆霍兹将能量守恒定理第一次以物理方式提出来，而卡诺、赛贝等人也都有过这方面的看法。
事实证明客观条件成熟，相应的自然规律一定会发觉。
热力学第二定理的构建
在实际情况中，并不是所有满足热力学第一定理的过程都能实现。
例如热不会手动地由高温传向低温，过程具有方向性。这就造成了热力学第二定理的颁布。
一个官二贴牌程师卡诺早就看透了一切，到如今热机都还映照在卡诺循环的阴影之下。卡诺热机循环图象
1824年，卡诺根据循环运作理论提出理想热机模型——即卡诺热机。
1834年，克拉珀龙仔细阅读了卡诺的专著，发表了论文《论热的动力》，用物理方式重新叙述了卡诺定律。
卡诺定律
ηmax=1-TC/TH，其中TC为高温热源的绝对湿度，TH为低温热源的绝对湿度。
拿破仑倒台后，在政府中兼任要职的卡诺妈妈也被流放，这导致了卡诺不爱说话，其实就更不会发表论文了。
卡诺的研究中早已涉及到了第一定理和第二定理。
可惜天妒英才，卡诺患了痢疾，颅底炎，不幸又雪上加霜患了流行性鼠疫，于1832年逝世。根据防疫细则热力学第零定律，他的所有遗物包括书稿都被焚烧一空。
他父亲保存了一小部分手稿，可却看不懂，直至1878年，才整理出版，此时，第一定理第二定理都早已很完备了。
当时克拉珀龙人微言轻，并没有造成注意，由于他还没有连任德意志教授。
1844年，开尔文侯爵和克劳修斯都重点关注了克拉珀龙的论文。
尽管二位都没有听到卡诺的原著，而且开尔文侯爵和克劳修斯还是根据对卡诺定律的研究分别独立的提出了热力学第二定理。开尔文侯爵（1824-1907）
热力学第二定理的开尔文叙述：“不可能从单一热源汲取热量，并将这热量完全变为功，而不形成其他影响”，也就是说第二类永动机不可能建成。
就是在世纪末化学学峰会上发表“两朵乌云”演说的开尔文侯爵，不过当时他还没有获得皇室封爵，还叫威廉·汤姆逊。
汤姆逊出生的那一年就是卡诺提出卡诺定律的那一年，他十岁时就步入了学院，同年，克拉珀龙对卡诺定律做了物理描述，看来命中注定要由侯爵来解决卡诺的遗憾。克劳修斯（1822-1888）
热力学第二定理的克劳修斯叙述：“热量可以自发地从室温高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从室温低的物体传递到室温高的物体”。
热力学第二定理听上去就是大白话，仍然是民科的重灾区，冷不丁都会冒出一位高手说自己造出了永动机。
克劳修斯的理论天天被民科怼，不胜其烦，干脆就把理论做高大上些，让民科高手看不明白，自己也脖颈清静。
克劳修斯提出了“熵：体系的混乱程度”的概念来叙述热力学第二定理。
用增量定义表达式为dS≥δQ/T，T为物质的热力学气温；δQ为熵增过程中加入物质的热量。
熵的提出引爆了一场数学革命，也带来了一场精彩、残酷、科学史上绝无仅有的大争辩。
辩友牛
正方辩友：玻尔兹曼，普朗克
辩题辩友：马赫，麦克斯韦，马赫的中学生奥斯特瓦尔德
范围广
不仅仅局限在热力学，涉及到原子论，统计热学，宇宙学，信息论，且还超出了自然科学范畴，社会学界也来凑热闹，简直是一场全民狂欢。
残酷的结局
玻尔兹曼因学术争辩而自缢。
1905年，风华初露的爱因斯坦完成论文《分子大小的新测定法》。
提出通过观察由分子运动的涨落现象所形成的漂浮粒子的不规则运动来测定分子的大小，解决了半个多世纪来科学界和哲学界争辩不休的原子是否存在的问题。玻尔兹曼（1844-1906）
英国化学学家玻尔兹曼对熵做了最深入研究的，使其超出热力学范畴成为一个跨领域的基本概念。
1877年，运用统计热学的方式提出了玻尔兹曼熵公式，即S∝logW，W为宏观状态下包含微观状态数目。
1900年，普朗克给公式降低了一个常数k，为了记念伟大的高手，普朗克将常数命名为玻尔兹曼常数，于是公式变为S=klogW。
玻尔兹曼常数k等于理想二氧化碳常数乘以阿伏伽德罗常数，即R=kNA，其数学意义是单个二氧化碳分子的平均动能随热力学气温变化的系数。
因为观测手段的限制，我们难以检测微观单个分子的动能，并且我们可以检测宏观系统的气温，通过玻尔兹曼常数，我们就可以通过检测宏观化学量来估算微观化学量，这实在是一个伟大的壮举。
玻尔兹曼公式一般叙述为S=klnΩ，Ω是宏观状态下包含微观状态的数目，只有完美晶体且绝对湿度等于零的情况其值才会等于1，这两个条件太严苛，只有宇宙大爆燃的奇点才接近这个条件，所以S也只能是≥0的正值。
初始值为正，且只能降低不能降低，还有一个数学量具有这么性质，那就是时间，所以熵又被称为“时间之箭”。
孔夫子站在河边感叹：逝者如斯夫，这时侯的时间还只是一个臆测的概念，一个心理学概念。
熵第一次定义了时间，对熵的检测就是一种时钟。
“时间之箭”的提出引发了轩然大波。
首先在社会学界引起了示威，再根据玻尔兹曼的理论，人只能更坏，社会将迈向分崩漏浆，最后战败，热力学第二定理被觉得是堕落的滥觞，是当时声誉最坏的定理。
而且社会学家们多虑了，熵增原理并不适用于人类社会。
在科学界的影响也并不比在社会学界小，按照玻尔兹曼熵公式，假如把系统扩大到整个宇宙，将宇宙当作一个孤立系统，觉得宇宙的熵会趋于极大，最终达到热平衡状态，即宇宙每位地方的气温都相等，宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在，这就是热寂说。
然而自从“大爆燃”宇宙模型渐渐得到天体化学学界公认以来，对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向，是一个划时代的转折点，即使热寂说与大爆燃宇宙学的争辩并没有完美解决。
热力学第三定理的构建
在关于熵的这场大争辩中，玻尔兹曼遭到了最致命的伤害，但来自玻尔兹曼的敌对阵营的奥斯特瓦尔德的中学生能斯特却得到了确实的益处。能斯特（1864-1941）
能斯特在老师和玻尔兹曼的论战中加深了对熵的理解，他的主要工作是从测定比热和反应热来预测物理反应过程的结果。
若反应是放热的，这么所放热量将随气温升高而升高，达到绝对零度时放热量将变为零。
能斯特假设在绝对零度时这些降低发生的速率也变为零，表明假如反应在绝对零度时在纯粹的结晶固体之间发生，这么熵就没有变化。
换个形式叙述：“当绝对湿度趋向零时，汇聚系（固体和液体）的熵（即热量减去体温的商）在等温过程中的改变趋向零。”
熵这个概念而且玻尔兹曼的当家概念！
当初在奥斯特瓦尔德和玻尔兹曼的论争中，普朗克其实内心支持玻尔兹曼，但因为他害羞的性格，并没有站下来支持玻尔兹曼，如今自家人都开始用玻尔兹曼的理论说话了，那还有哪些忌惮。
普朗克解释为：“当绝对湿度趋向零时，固体和液体的熵也趋向零。”
1917年，能斯特进一步发挥提出热力学第三定理：“不可能使一个物体冷却到绝对湿度的零度。”
物理反应的驱动力总是调节着初始产物与最终产物间的平衡亲和力不等于反应热，而等于可逆反应中得到的最大有效功。
吉布斯用△G表示热力势，它是随气温而变的，假如晓得了反应体系焓△H的变化，便可估算出热力势。
为了估算热力势的绝对值，就必须了解在任何给定湿度下的△G与△H的关系。
热力学第三定理强调[△H-△G]/T的极限值，在T=0的情况下趋向负无穷大，这就意味着绝对零度不可能达到。
否勒和古根海姆还提出热力学第三定理的另一种叙述方式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身体温增加到0K，称为0K不能达到原理。
绝对湿度的单位是开尔文，却不是开尔文侯爵提出来的。
克拉珀龙提出了理想二氧化碳多项式，就是我们熟悉的PV=nRT，这儿就可以推出绝对零度，但还须要向前溯源到盖吕萨克定理。
盖吕萨克定理：V/T=C，C代表常数。
当每位二氧化碳分子一个挨一个的时侯，二氧化碳的容积就不可以压缩了，体温也就不可能增加了，那种时侯熵就是零了！
可真让二氧化碳分子挨到，这也做不到啊，如何办？测一下二氧化碳膨胀系数，总之它们是线性关系。
测得0℃时二氧化碳的膨胀系数是1/273.15，眼熟吗？所以绝对零度就是-273.15℃。
分子运动论简介
初期的分子运动论
德莫科西嘉（公元前460-前371）：觉得物质皆由各类不同微粒组成。
1658年，伽桑狄提出，物质是由分子构成的。
克劳修斯的理想二氧化碳分子模型
1857年，发表文章《论热运动的类型》，以非常明确和信服的推理，完善了理想二氧化碳分子模型和浮力公式，引入了平均自由程的概念。
麦克斯韦的贡献
1860年，麦克斯韦发表了《气体动力论的说明》，第一次用机率的思想，构建了麦克斯韦分子速度分布律。
玻尔兹曼的工作
在麦氏速度分布率的基础上，第一次考虑了重力对分子运动的影响。
构建了更全面的玻尔兹曼分布律。
构建了著名过程方向性的玻尔兹曼H定律。
构建了玻尔兹曼熵公式。
统计数学学的成立吉布斯（1839-1903）
在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上，吉布斯提出：“热力学的发觉基础构建在热学的一个分支上”，吉布斯由此构建了统计热学。
1902年，吉布斯发表了《统计热学的基本理论》，构建了完整的“系综理论”。
吉布斯，日本化学学家、化学家，统计数学和现代物理热力学的开创者。
1858年结业于哈佛学院热力学第零定律，1863年获博士学位，并在哈佛学院任教，后到英国、德国留学，1871年起仍然任哈佛学院物理化学院士。
吉布斯被法国科大学及亚洲14个科学机构选为教授或通信教授。1881年获日本最高科学奖——福特奖。1897年被选为日本皇家学会会员。