热学知识在实际中有重要的应用．各种热机和致冷设备的研制，化工、冶金、气象的研究，都离不开热学知识．
研究热现象有两种不同的方法．一种是从宏观的观点来研究，总结了宏观热现象的规律，引入了与热现象相关的内能的概念，并把内能跟其他形式的能量联系起来，建立了能量守恒定律．另一种是从物质微观结构的观点来研究，建立了分子动理论，说明热现象是大量分子无规则运动的表现．这两种方法相辅相成，使人们对热现象的研究越来越深入．
分子动理论的基本内容是：物体是由大量分子组成的，分子永不停息地做无规则运动，分子之间存在着相互作用力．大量分子无规则的运动叫做分子的热运动．分子的热运动和分子之间的相互作用决定了物体的热学性质．
对物质组成的探秘
自古以来，人们就不断地探索物质组成的秘密．早在古希腊的时候，就有人提出物质的微粒结构的思想．两千多年以前，古希腊的著名思想家德谟克利特说过，万物都是由极小的微粒构成的，并把这种微粒叫做原子．这种古代的原子学说虽然没有实验根据，却包含着原子理论的萌芽．
科学技术发展到今天，原子的存在早已不是猜想，而被实验所证实．而且原子也不是不可再分的．原子能够结合成分子，分子是具有各种物质的化学性质的最小粒子．实际上，构成物质的单元是多种多样的，或是原子（如金属），或是离子（如盐类），或是分子（如有机物）．在热学中，由于这些微粒做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子．
分子的大小
组成物质的分子是很小的，不但用肉眼不能直接看到它们，就是用光学显微镜也看不到它们．现在有了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜，用它能观察到物质表面的分子．图中所示是我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子的图片，图中每个亮斑都是一个碳原子．
怎样才能知道分子的大小呢？
一种粗略测定分子大小的方法是油膜法．把一滴油酸滴到水面上，油酸在水面上散开形成单分子油膜．如果把分子看成球形，单分子油膜的厚度就可以认为等于油酸分子的直径．图中所示是单分子油膜侧面的示意图．事先测出油酸滴的体积，再测出油膜的面积，就可以算出油酸分子的直径．测量结果表明，油酸分子直径的数量级是10-10m．
物理学中测定分子大小的方法有许多种．用不同方法测出的分子大小并不完全相同，但数量级是一致的．测定结果表明，除了一些有机物质的大分子外，一般分子直径的数量级为10-10m．例如水分子直径约为4×10-10m，氢分子的直径约为2.3×10-10m．
把分子看作小球，是对分子的简化模型．实际上，分子有着复杂的内部结构，并不真的都是小球．因此，说分子的直径有多大，一般知道数量级就已经可以了．分子的数量级提供了关于分子大小的一个数量观念，使我们了解分子是多么微小．
阿伏加德罗常数
1mol的任何物质都含有相同的微粒数，并用阿伏加德罗常数来表示．
知道分子的大小，不难粗略算出阿伏加德罗常数．例如水的摩尔体积是1.8×10-5m3／mol，每个水分子的直径是4.0×10-10m，体积约为3.0×10-29m3．设想水分子是一个挨一个排列的，可以算出1mol水中所含的水分子数
为了得到更精确的阿伏加德罗常数的数值，科学工作者不断地用各种方法测量它．通常可取
在粗略的计算中，可取
阿伏加德罗常数是个十分巨大的数字．因此，一般物体中的分子数目都是大得惊人的．例如，1cm3水中含有的分子数约为3.3×1022个，假如全世界56亿人不分男女老少都来数这些分子，每人每s数1个，也需要将近19万年的时间才能数完．把1g酒精倒入容积为100亿立方m的水库中，酒精分子均匀分布在水中以后，每1cm3水中的酒精分子数仍然在100万个以上．
根据阿伏加德罗常数，很容易算出分子的质量．例如，水的摩尔质量是1.8×10-2kg／mol，1mol水中含有6.0×1023个分子，则水分子的质量是
可见水分子质量是很小的．除了包含几千个原子的有机物质的大分子外，一般分子的质量都是很小的．用同样的方法可以算出氧分子的质量是5.3×10-26kg，氢分子的质量是3.35×10-27kg．
阿伏加德罗常数是一个重要常数，定量研究热现象时经常要用到它．阿伏加德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁．它把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量跟分子质量、分子大小等微观物理量联系起来了．
物体里的分子永不停息地做无规则运动，这个结论也是在实验事实的基础上得到的．
扩散现象
二氧化氮虽然密度比空气大，却能运动到上面的瓶子里去，同时，空气又能运动到下面的瓶子里去．这说明，气体分子在运动着．像这样，不同的物质互相接触时彼此进入对方的现象，叫做扩散．
不仅气体分子在不停地运动着，液体分子、固体分子也在运动着．扩散现象在固体之间和液体之间也会发生．
固体的扩散现象在常温下进行得比较慢，不特别观察很难察觉．在高温下固体间的扩散就很明显了．利用分子的扩散，在真空、高温条件下，可以向半导体材料中掺入一些其他元素来制造各种元件．
布朗运动
把墨汁用水稀释后取出一滴放在显微镜下观察，可以看到悬浮在液体中的小碳粒在不停地做无规则运动．而且碳粒越小，这种运动越明显．
如果在显微镜下追踪一个小碳粒的运动，每隔30s把观察到的碳粒的位置记录下来．然后用直线把这些位置依次连接起来，就得到如图所示的微粒运动的位置连线．可以看出，微粒的运动是无规则的．实际上，就是在短短的30s内，微粒的运动也是极不规则的．
悬浮微粒不停地做无规则运动的现象，是1827年英国植物学家布朗（1773—1858）用显微镜观察悬浮在水中的花粉时发现的．后来把悬浮微粒的这种运动叫做布朗运动．不只是花粉和小碳粒，对于液体中各种不同的悬浮微粒，都可以观察到布朗运动．
布朗运动是怎样产生的呢？
在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上是由许许多多分子组成的．液体分子不停地做无规则的运动，不断地撞击微粒．图中描绘了一颗微粒受到液体分子撞击的情景．悬浮的微粒足够小时，受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的．在某一瞬间，微粒在某个方向受到的撞击作用强，致使微粒运动．在下一瞬间，微粒在另一方向受到的撞击作用强，致使微粒又向其他方向运动．这样，就引起了微粒的无规则的布朗运动．
悬浮在液体中的颗粒越小，在某一瞬间跟它相撞的分子数越少，撞击作用的不平衡性就表现得越明显，因而布朗运动越明显．悬浮在液体中的颗粒越大，在某一瞬间跟它相撞的分子数越多，撞击作用的不平衡性就表现得越不明显，可以认为撞击作用相互平衡，因而布朗运动越不明显，以至观察不到．
可见，液体分子永不停息的无规则运动是产生布朗运动的原因．分子的运动我们是看不见的．做布朗运动的微粒是由成上万个分子组成的，微粒的布朗运动并不是分子的运动，但是微粒的布朗运动的无规则性，却反映了液体内部分子运动的无规则性．
热运动
在扩散现象中，温度越高，扩散进行得越快．从实验中可以观察到，布朗运动随着温度的升高而越加激烈．这表示分子的无规则运动跟温度有关系，温度越高，分子的无规则运动就越激烈．正因为分子的无规则运动跟温度有关系，所以通常把分子的这种运动叫做热运动．
扩散现象和布朗运动不但说明分子不停地做无规则运动，同时也说明分子间是有空隙的，否则分子便不能运动了．气体容易被压缩，水和酒精混合后的体积小于两者原来体积之和，说明气体分子之间、液体分子之间都有空隙．固体分子之间也有空隙．我们在前面讲述分子的大小时，认为固体分子和液体分子是一个挨一个排列的，那只是为估算分子直径的数量级而作的设想．
分子间虽然有空隙，大量分子却能聚集在一起形成固体或液体，说明分子之间存在着引力．用力拉伸物体，物体内要产生反抗拉伸的弹力，就是因为分子间存在着引力．
把两块纯净的铅压紧，由于分子间的引力，两块铅就合在一起，甚至下面吊一个重物也不能把它们拉开．把两块光学玻璃的表面磨得既光滑又相吻合，并把表面处理干净，施加一定的压力它们就可以粘合在一起，这也是利用了分子间的引力．
分子间有引力，而分子间又有空隙，没有紧紧吸在一起，这说明分子间还存在着斥力．用力压缩物体，物体内要产生反抗压缩的弹力，就是物体内大量分子间的斥力的宏观表现．
研究表明，分子间同时存在着引力和斥力，它们的大小都跟分子间的距离有关．图中的两条虚线分别表示两个分子间的引力和斥力随距离变化的情形．实线表示引力和斥力的合力即实际表现出来的分子间的作用力随距离变化的情形．
我们看到，分子间的引力和斥力随着分子间的距离的增大而减小．当两分子间的距离等于r0时，分子间的引力和斥力相互平衡，分子间的作用力为零,r0的数量级约为10-10m．相当于距离为r0的位置，叫做平衡位置（图甲）．
当分子间的距离小于r0时，引力和斥力虽然都随着距离的减小而增大，但是斥力增大得更快，因而分子间的作用力表现为斥力（图乙）．
当分子间的距离大于r0时，引力和斥力虽然都随着距离的增大而减小，但是斥力减小得更快，因而分子间的作用力表现为引力（图丙），它随着距离的增大迅速减小．当分子间距离的数量级大于10-9m时，分子力已经变得十分微弱，可以忽略不计了．
分子是由原子组成的．原子内部有带正电的原子核和带负电的电子．分子间这样复杂的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的．
分子的动能、温度
既然组成物体的分子不停地做无规则运动，那么，像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能．
物体里分子运动的速率是不同的，有的大，有的小，因此各个分子的动能并不相同．在热现象的研究中，我们所关心的不是每个分子的动能，而是物体里所有分子的动能的平均值．这个平均值叫做分子热运动的平均动能．
温度升高，物体分子的热运动加剧，分子热运动的平均动能也增加．温度越高，分子热运动的平均动能越大．温度越低，分子热运动的平均动能越小．从分子动理论的观点看来，温度的微观含义是物体分子热运动的平均动能的标志．
分子势能
分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能．
分子间的距离r大于r0的时候，分子间的相互作用表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此分子势能随着分子间的距离增大而增大．这种情形同弹簧被拉长时弹性势能的变化相似．分子间的距离r小于r0的时候，分子间的相互作用表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此分子势能随着分子间的距离减小而增大．这种情形同弹簧被压缩时弹性势能的变化相似．
物体的体积发生变化时，分子间的距离发生变化，分子势能随着发生变化．可见分子势能跟物体的体积有关系．
物体的内能
物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的热力学能，也叫内能．一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成的，因此任何物体都具有内能．
由于分子热运动的平均动能跟温度有关系，分子势能跟体积有关系，因此物体的内能跟物体的温度和体积都有关系：温度升高时，分子的动能增加，因而物体的内能增加；体积变化时，分子势能发生变化，因而物体的内能发生变化．
在热学研究中所涉及的总是内能的改变．什么物理过程可以改变物体的内能呢？
做功可以改变物体的内能．用锯条锯木头，我们克服摩擦力做功，锯条和木头的温度升高，内能增加．这类所谓“摩擦生热”的现象，实际上是做功改变物体的内能．子弹射进木块中，子弹克服阻力做功，子弹和木块的温度升高，内能增加．用搅拌器在水中搅拌做功，可以使水温升高，内能增加．
气体被压缩或膨胀时做功，气体的内能就发生改变．下面我们做实验来观察一下．
实验表明，外力对空气做功使空气的内能增加，温度增高．柴油机就是利用这个道理来点火的．在压缩冲程，气缸内的空气被压缩，温度升高，使喷入气缸内的雾状柴油燃烧．
若使厚壁容器的一端通过胶塞插进一只灵敏温度计和一要气针；另一端有一用可移动的胶塞（用卡的卡住）。用打气筒慢慢向容器打气，增大容器的压强。当容器内的压强增大到一定程度时，打开卡子，气体冲开胶塞，可以从灵敏温度计观察到容器的温度明显变小。
实验表明，空气在膨胀时对外做功，内能减少，温度降低．热机就是利用这个道理做功的．热机气缸内高温高压的气体膨胀时对外做功，气体的内能减少，温度降低．
灼热的火炉使它上面和周围的物体内能增加，这些物体的温度升高．放在室内的一杯热水不断散热，内能减少，温度降低．在这样的过程中，物体的内能改变了，但是并没有做功．这种没有做功而使物体内能改变的物理过程叫做热传递．
可见，能够改变物体内能的物理过程有两种：做功和热传递．
做功使物体的内能发生改变的时候，内能的改变就用功的数值来量度．外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少．
热传递使物体的内能发生改变的时候，内能的改变是用热量来量度的．外界传递给物体多少热量，或者说物体吸收了多少热量，物体的内能就增加多少；物体传递给外界多少热量，或者说物体放出了多少热量，物体的内能就减少多少．
一根金属棒可以用热传递的方式传给它一定的热量，使它从某一温度升高到另一温度；也可以用做功的方式，例如，用摩擦的方法使它升高同样的温度．两种方式不同，得到的结果却相同．除非事先知道，我们是无法区分是哪种方式使这根金属棒的内能增加的．可见，做功和热传递对改变物体的内能是等效的．
热力学第一定律
现在我们来研究功、热量跟内能的改变之间的关系．
一个物体，如果它跟外界不发生热交换，也就是它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少．设外界对物体所做的功为W，内能的增加为△U，那么，W=△U．在物体对外界做功的情况下，上式同样适用．这时W为负值，内能的增加△U也是负值，表示内能减少．
如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少．设物体吸收的热量为Q，内能的增加为△U，那么Q=△U．在物体放出热量的情况下，上式同样适用．这时Q为负值，内能的增加△U也是负值，表示内能减少．
在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加△U，即
上式所表示的功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律．
能量守恒定律
功是能量转化的量度．
做功使内能发生改变时，其他形式的能量与内能发生相互转化．在摩擦生热的现象中，克服摩擦力做多少功，就有多少机械能转化成等量的内能．在压缩气体做功的过程中，做多少功，就有多少机械能转化成等量的内能．在气体膨胀做功的过程中，做多少功，就有多少内能转化成等量的机械能．
热传递使内能发生变化时，内能在物体之间发生转移，一个物体从外界吸收了多少热量，就有多少内能从外界转移给这个物体．
热力学第一定律表示，做功和热传递提供给一个物体多少能量，物体的内能就增加多少，能量在转化或转移中守恒．
不但机械能，其他形式的能也可以与内能相互转化．通过电流的导线变热，电能转化成内能．燃料燃烧生热，化学能转化成内能．炽热的灯丝发光，内能转化成光能．实验证明，在这些转化过程中，能量都是守恒的．
大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且，在转化过程中守恒．
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．这就是能量守恒定律．
能量守恒定律是经过人类的长期探索在19世纪确立的．恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一． 能量守恒定律是人们认识自然、改造自然的有力武器．这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言，并取得了许多重大成就
永动机不可能制成
历史上有不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功．这种机器被称为永动机．历史上，人们提出了很多种永动机的设计方案，图示是一种永动机的设计方案．虽然人们经过多次尝试，作了各种努力，但永动机无一例外地归于失败．人们把这种设想中的不消耗能量的机器叫做第一类永动机．能量守恒定律的发现使人们进一步认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能造成的．人类利用自然，必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机．
这是一个有趣的问题：地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，只要这些海水的温度降低0.1℃，就能放出5.8×1023J的热量，这相当于1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量．为什么人们不去研究这种“新能源”呢？原来，这样做是不可能的．这涉及物理学的一个基本定律，这就是热力学第二定律．
热传导的方向性
大家都有这样的经验：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高．谁也没有见过这样的现象：热量会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高．这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或者帮助．也许会产生一个疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功．一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了．相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．
我们看到，热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行．要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．
第二类永动机
一个在水平地面上运动的物体，由于克服摩擦力做功，最后总要停下来．在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高．但是，人们绝不会看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．
有人可能提出一种设想：发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来，并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化．这是一个非常诱人的设想．这种设想并不违反能量守恒定律，如果真能制造出这种热机，那么，本节开始时提到的单从海水中吸取热量来做功，就成为可能的了，“能源问题”也就解决了．
热机是一种把内能转化为机械能的装置．以内燃机为例，气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中．由能量守恒定律知道Q1=W+Q2．我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用η表示效率，则有
实际上，热机不能把它得到的全部内能转化为机械能．热机必须有热源和冷凝器．热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q2，所以总有Q1＞W．因此，热机的效率不可能达到100％．汽车上的汽油机，效率只有20％～30％，燃气轮机的效率比较高，也只能达到60％．即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中．
能不能制造前面设想的那种热机呢？这种热机没有冷凝器，只有单一的热源，它从这个单一热源吸收的热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化．不能！人们把这种想象中的热机称为第二类永动机．这种永动机并不违反能量守恒定律，而以前讲过的第一类永动机是违反能量守恒定律的．人们为制造第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了．
第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性．尽管机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化．
热力学第二定律
