姚建铨院士序言

我们司空见惯的温度是什么？压强是什么？它们和组成物质的微观分子和原子有什么关系？内能是什么？热量是什么？熵是什么？系统的能量、过程的方向满足什么规律？这些概念和问题都离不开热学。我们赖以生存的大气、做饭的炉火、给万物提供能量的太阳、建筑材料、保暖衣、电扇、空调、冰箱、汽车，这些涉及衣食住行等基本生活要素的物质、系统、产品，无一不跟热学相关。在科学研究中，热学也非常重要，比如我所从事的激光技术中，很多能量将沉积为热量，分析热量随时间和空间的分布，了解热量传递过程和途径，进行科学的热管理，对于提高激光效率，提升光束质量，是非常重要的。

热学，是研究热物理的科学。研究内容包括能量内涵、能量转换以及能量与物质间相互作用，尤其专注在系统与环境间能量的相互作用，物质的特性也是其研究的内容。热学还是结合工程、物理与化学的一门科学，很多学科与热力学联系密切，如热传学、流体力学、材料科学等。

热学既跟宏观现象有关，也跟微观分子运动有关。热学概念较多，在学习过程中比较难以把握。而由于多种原因，目前热学课时压缩，很多学生对于热学基本概念和应用了解较为含糊。

作者是我的学生，在教学和科研上颇有成果。他在多年的教学和科研工作中，以及对物理奥赛生的培养训练中，对热学有了深入了解。所撰写的这本教材，融合了他教学和科研上的部分成果。我阅读此书后，很高兴为之做序。本书有以下几个特点：通过现象归纳和概念阐述，用大量例题来帮助了解概念，强调热学理念；联系生活、生产与科研中的实例，注重热学的应用；通过引导思考、将宏观现象与微观运动之间紧密联系等方式，训练物理思维；通过介绍热学发展和科技应用实例、科学家的故事、我国科学家的贡献，培养科学素养、科学精神与爱国情怀；从简单热学知识到深入的应用，选用奥赛例题，做好大中知识的衔接。

该书文笔流畅，通俗易懂，阅读起来不枯燥，有趣味。很适合中学的初学者学习，也可用于大学生的热学教材和参考书。

天津大学教授、中国科学院院士

姚建铨

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宋峰教授前言

日常生活中，有很多热现象，如冬冷夏热、热胀冷缩、水的加热、摩擦生热、内燃机做功等，都遵循一定的规律.研究物质各种热现象和热运动规律的科学，称为热物理学，又称为热学或热力学，它是物理学的一个重要分支.

人类很早就对热有所认识，并加以应用，例如通过加热使得食物更加可口，利用高温冶炼青铜器，控制窑炉温度制造精美瓷器，加热岩石再泼冷水使之爆裂从而制造出石头工具.但是直到17世纪末，在温度计制造技术成熟，可精密测量温度以后，热力学才得到定量的系统的研究.

热学的早期研究工作有：年，伽利略利用气体热胀冷缩的性质制造了第一支气体温度计；年，玻意耳发现定温下定量气体的压力与体积成反比；年和年，华氏和摄氏温标分别建立；年，查理发现了定压下气体体积随着温度改变的规律；年，盖吕萨克发现气体热膨胀定律.

在17世纪末到19世纪中叶，人们进行了大量的实验和观察，并成功地制造出了蒸汽机，提出了卡诺理论、热机理论(热力学第二定律的前身)和热功相当的原理(热力学第一定律的基础).不过，这一阶段的热力学还只是停留在现象描述上，没有引进任何数学公式.而且温度与热量的概念经常混淆，多数人以为物体冷热的程度代表着物体所含热的多寡.直到年左右，法国兰勃特、英国化学教授布拉克等人，才将热量与温度的概念加以区别和澄清.但关于“热”的本质则还是模糊不清，争论时间更久.

年起，焦耳进行了大量的实验，证实了热是能量的另一种形式，并给出了热能与功两种单位换算的比值.在此基础上，能量守恒与转换定律(热力学第一定律)被建立起来.年开尔文及克劳修斯指出热机输出的功一定少于输入的热能，这被称为热力学第二定律.年能斯特提出热力学第三定律.后来在研究热平衡时，年拉尔夫·霍华德·福勒爵士提出了热力学第零定律(该定律虽然提出时间较晚，其实更为基础，所以称为第零定律).年前后，焦耳及克劳修斯等人发展了气体动力学，研究了微观运动与宏观现象的联系，提出了熵的概念并用于表达热力学第二定律，建立了热学的微观基础.这几个定律和气体动力学(分子动理论)构成了热学的基本架构.

热学既有对宏观现象的归纳，也有微观解释，内容较繁杂，学习起来有一定难度.而随着中学和大学教育的深化改革，热学的教学学时和教学内容都有所调整.不同地区的学生的热学基础也不完全相同.本书是根据目前的现状，在作者多年从事高校教学以及中学生物理竞赛培训积累的经验基础上完成的.全书共分七章，分别是分子动理论、气体系统的状态和气体的性质、热力学第一定律、热力学第二定律、固态和液态的性质、相变、热传递与热膨胀.从微观和宏观量方面对热学基础知识做了讲述.本书适合没有热学基础或者热学基础较弱的读者学习，尤其适合打算参加强基计划和物理竞赛的中学生，也可以作为大学生的教材或参考书.

在编排知识体系和内容时，按照全国中学生物理竞赛大纲来编排，方便读者循序渐进地学习.每章前面有思维导图，在阅读全章内容前，读者可以通过思维导图了解本章的基本知识点以及结构和逻辑关系，在学完一章后还可以通过思维导图进行复习.在叙述风格上，从现象入手，总结出概念，通过大量例题深化概念的理解，再通过习题进行消化.本书所选用的例题与习题，很多源于历年中学生物理竞赛和高校强基计划以及科学营试题，还有部分自编题.例题的解题步骤规范，逻辑清晰，方便读者模仿和学习.绝大多数习题均给出了答案.

本书注重突出物理图像的建立和物理概念的描述，比如分子热运动、布朗运动的图景；注重将宏观现象和微观分子热运动进行结合，比如气体压强、温度、熵与微观分子的运动或分布的关系；注重物理思维的培养，比如通过分子线度和分子间距离的关系来了解分子间的作用；注重与自然现象、日常生活、生产与科技的融合，比如在讲述相关知识后提到海岸线、PM2.5、人体髋关节结构、温度计、气压计、高度计、饮水鸟、浮选法等；注重科学素养、科学精神、爱国情怀的培养，比如通过讲述麦克斯韦妖、信息熵、负温度等，提高学生的科学素养，通过简要介绍在热学发展中做出重要贡献的科学家，以弘扬科学精神，通过我国的制冷技术、原子弹、高铁等，了解我国科学家的贡献；注重大学与中学教学的融合，比如知识讲授起点低，尽可能拓宽深度，选用中学生物理竞赛和强基计划的例题或习题；注重阅读的趣味性，比如，用头顶气球的例子来讲述布朗运动，还介绍了古希腊的希罗喷泉、温度计的历史、热气球的发明、老式爆米花机、火炕、烹调等.

本书章节和主要内容如下.

第一章为分子动理论.从微观角度介绍了气体分子热运动图景，分子大小、间距等定量值；进而阐述相关概念，包括理想气体的概念，气体分子的动能、势能、内能，布朗运动，分子运动速率、平均自由程，能均分定理；最后是宏观的气体压强、温度与分子微观运动的关系.

第二章为气体系统的状态和气体的性质.从宏观角度阐述气体系统的相关现象和规律.先介绍系统的定义，状态参量的描述，再介绍压强和温度两个重要参量以及温标；接着通过气体的实验规律，(混合)理想气体的状态方程，对气体系统中的状态参量的关系进行了详细讲述；最后还介绍了实际气体的状态方程，以供感兴趣的读者阅读参考.

第三章为热力学第一定律.首先介绍准静态过程及其分类；接着介绍功、内能、热量的概念及计算，对于过程量和状态量予以强调；再描述热力学第一定律，在此基础上，强化热容的概念；最后通过大量例题讲述热力学第一定律的应用，以及循环过程和热机.

第四章为热力学第二定律.先通过自然现象和科学实验，指出了热力学过程的方向性，给出了可逆过程的定义；接着介绍了热力学第二定律的文字表述和卡诺定理；再引导读者跟着历史上科学家们的思维，学习是如何将热力学第二定律从文字表述，通过从热力学概率到熵的思维过程和定义上升到数学描述的；最后介绍了熵差的计算.

第五章为固体和液体的性质.先介绍了物态；接着简要介绍了晶体和非晶体及其相关知识；最后讲述了液体的彻体和表面性质，主要是表面张力、附加压强、润湿、毛细现象等表面性质.

第六章为相变.先介绍了物态变化和相变，重点是气-液-固三者之间相变时的相关概念和吸热或放热；接着通过三相图来加深对三种物态的理解.

第七章为热传递与热膨胀.先介绍热平衡及热平衡方程(其实是热力学第一定律在特定条件下的具体表达式)；接着叙述热传递的三种方式：传导、对流和辐射，介绍了相关定义和定律；最后讲述热膨胀现象和相关公式.

带*号的章节，对于希望用较短时间学到基础热学知识的读者，可以跳过或者略读.

本书吸纳了教育部第二批新工科研究与实践项目、教育部高等教育司“中外高校教材比较研究”重点项目的部分研究成果，还得到了南开大学教材建设经费的支持，在成书过程中，一些高校老师和中学物理奥赛教练提出了宝贵意见，年暑期在南开大学培训的国家物理奥林匹克队的同学们帮助校对了书稿，编著过程中参考引用了大量资料，有的直接来源于网络，未能一一注明，在此一并致谢.

由于作者水平有限，本书定有不少缺点和疏漏，恳请广大读者批评指正.

编者

年11月

END

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