从今天开始我们告别了牛顿力学，开始热力学的征程。经典物理学包括牛顿力学、热力学和统计力学、经典电动力学三大部分。因为它们同属于经典物理体系，很多东西是相互借鉴的。因此在你学习热力学的同时，你会进一步体会到牛顿力学的思想逻辑；反过来，之前的牛顿力学会帮助你更容易的学习热力学知识。
热力学的很多东西是可以与之前的牛顿力学体系对照着来学习。例如，牛顿力学有牛顿三定律，热力学也有热力学三定律；牛顿第一定律揭示了世界本来的样子，它更为基本更加重要，对应的是，热力学第一定律也揭示了世界本来的样子，它更为基本更加重要；牛顿第二定律是牛顿力学的动力学方程，热力学第二定律可以说是热力学的动力方程；牛顿第三定律告诉了我们什么是力，力即相互作用，同样的，热力学第三定律告诉了我们什么是温度，温度即分子永不停止的运动。
在科学上，可以作为第一性原理的东西特别少。所谓第一性原理，就是每一个系统中存在一个最基本的命题，它不能被违背或删除。第一性原理是亚里士多德提出的概念。科学是研究包括宇宙万物的物质世界的，所以科学上的第一性原理往往是宇宙运行的最根本普适规律。在牛顿力学上，牛顿第一定律即惯性定律可以算的上这样的第一性原理，这个原理后来也成为爱因斯坦建立广义相对论重要的思想起源。同样在热力学上，热力学第一定律即能量守恒定律就是第一性原理。而且能量守恒定律的影响力大到几乎触及所有的科学领域。在爱因斯坦的相对论中，能量和质量可以互相转化，因而能量守恒也变成了质能守恒。
牛顿力学是研究物体的力与运动的，热力学是研究物体的热与温度。研究科学的方法都是一样的：（1）发现现象或者提出概念；（2）做出假设或者公设（原理）；（3）描述现象，主要是数学描述；（4）进行数学推理，得出一些结果；（5）对结果进行实验验证。
人类很早就学会了用火来制作食物、驱除寒冷，也对物体的冷热程度有了一定的认识。但是热学并没有因为人类最早的关注而发展成为一门科学，而是在牛顿力学发展完善之后才迅速发展了起来。而且，热学的发展之路并不平坦，其间有数次步入歧途，例如长期在热学领域占据统治地位的“热质说”。科学的发展历史往往就是如此，来来回回反反复复，一点点地最后才能看清事物的本质。关于热是什么？人们也是看法不同，例如，培根说热是一种运动；笛卡尔把热看成是物质粒子的一种旋转运动；牛顿也支持热是运动的观点；但是占据统治地位的观点是“热质说”，即热是一种物质。后来发现了热力学第一定律，从彻底推翻了“热质说”才让热学步入了正轨。
热力学第一定律是这样说的：
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
热力学第一定律的推广和本质就是著名的能量守恒定律，热力学第一定律可以说是能量守恒定律在热力学上的应用。但是往往二者是等价的，能量守恒定律就是热力学第一定律。二者的关系相当于一个人的大名和小名，应用场合不一样而已。
能量守恒定律是这样说的：
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
在了解能量守恒定律或者热力学第一定律到底说了什么之前，我们先认识几个重要的物理学概念。什么是能量？能量是物质运动转换的量度，简称“能”。世界万物是不断运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。物质运动转换就会涉及物体之间的相互作用，这种相互作用也可以叫做做功。所以能量也是表征物理系统做功的本领的量度。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种不同的形式，它们可以通过一定的方式互相转换。动能是物体由于运动而具有的能量；势能是物体由于相对位置而具有的能量；机械能是动能和势能的总和，这里的势能分为重力势能和弹性势能；热量就是热能，是分子永不停息的运动产生的能。关于热是什么的更多内容，我们将在热力学第二定律中细说。
能量守恒定律告诉了我们什么?它告诉了我们：（1）能量不灭，也就是说，运动不灭，世界万物都在永不停息地运动着；（2）能量可以且只能相互转换，也意味着，运动也是可以互相转换的，例如，一个较快运动的物体和一个较慢运动的物体可以互相转换，从而改变彼此的运动速度或者其他；（3）能量总值不变，宇宙开始有多少能量，那么它以后也是这么多能量，永远不变。
回到具体的热力学我们又能知道什么？我们知道了：（1）热是一种能量，是一种运动，是分子的运动。热量作为一种能量，它不会凭空产生也不会凭空消失，而且热量也就是一种运动而不会是一种物质，这就根本上推翻了“热质说”；（2）热量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以转化成其他能量形式，例如冬天北方供暖就是热量的转移，热量从暖气转移到空气里，汽车内燃机就是热量的转化，把热能转换成汽车的动能；（3）一个物体转移或转化多少热量，另一个物体就会得到多少热量。
能量守恒定律是在19世纪中叶才被发现的，而且是经历了一个漫长的过程，多位科学家共同努力的结果。热力学的发展主要由于这几个原因：牛顿力学让科学家对运动及其各种运动形式之间的转换有了更清醒的认识，同时科学家对热的本质有了正确的认识，以及当时蒸汽机等生产实践需求。反观整个科学史，没有比热力学第一定律的建立更复杂的了，很多科学家和工程师做出了贡献，其中的代表科学家是：德国的迈尔、英国的焦耳、德国的亥姆霍次。热力学第一定律的思想最初是由迈尔提出的，焦耳做了大量实验来验证，亥姆霍次进行了严格的数学描述。
说到热力学第一定律，不得不提到永动机。热力学定律还有另一种表述方式：第一类永动机是不可能造成的。什么是永动机？永动机是一种能永远转动而不消耗能量的机器，这也是第一类永动机，因为它违背了热力学第一定律。热力学第二定律会涉及到第二类永动机，它不违背能量守恒定律却违背热力学第二定律。历史上很多人幻想可以制造出可以无中生有、源源不断提供能量的机器。但能量守恒定律告诉我们，第一类永动机是永远不可能造成的。
联系客服
