從今天開始我們告別了牛頓力學(xué)，開始熱力學(xué)的征程。經(jīng)典物理學(xué)包括牛頓力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)三大部分。因?yàn)樗鼈兺瑢儆诮?jīng)典物理體系，很多東西是相互借鑒的。因此在你學(xué)習(xí)熱力學(xué)的同時(shí)，你會(huì)進(jìn)一步體會(huì)到牛頓力學(xué)的思想邏輯；反過來，之前的牛頓力學(xué)會(huì)幫助你更容易的學(xué)習(xí)熱力學(xué)知識(shí)。

熱力學(xué)的很多東西是可以與之前的牛頓力學(xué)體系對(duì)照著來學(xué)習(xí)。例如，牛頓力學(xué)有牛頓三定律，熱力學(xué)也有熱力學(xué)三定律；牛頓第一定律揭示了世界本來的樣子，它更為基本更加重要，對(duì)應(yīng)的是，熱力學(xué)第一定律也揭示了世界本來的樣子，它更為基本更加重要；牛頓第二定律是牛頓力學(xué)的動(dòng)力學(xué)方程，熱力學(xué)第二定律可以說是熱力學(xué)的動(dòng)力方程；牛頓第三定律告訴了我們什么是力，力即相互作用，同樣的，熱力學(xué)第三定律告訴了我們什么是溫度，溫度即分子永不停止的運(yùn)動(dòng)。

在科學(xué)上，可以作為第一性原理的東西特別少。所謂第一性原理，就是每一個(gè)系統(tǒng)中存在一個(gè)最基本的命題，它不能被違背或刪除。第一性原理是亞里士多德提出的概念?？茖W(xué)是研究包括宇宙萬物的物質(zhì)世界的，所以科學(xué)上的第一性原理往往是宇宙運(yùn)行的最根本普適規(guī)律。在牛頓力學(xué)上，牛頓第一定律即慣性定律可以算的上這樣的第一性原理，這個(gè)原理后來也成為愛因斯坦建立廣義相對(duì)論重要的思想起源。同樣在熱力學(xué)上，熱力學(xué)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響力大到幾乎觸及所有的科學(xué)領(lǐng)域。在愛因斯坦的相對(duì)論中，能量和質(zhì)量可以互相轉(zhuǎn)化，因而能量守恒也變成了質(zhì)能守恒。

牛頓力學(xué)是研究物體的力與運(yùn)動(dòng)的，熱力學(xué)是研究物體的熱與溫度。研究科學(xué)的方法都是一樣的：（1）發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象或者提出概念；（2）做出假設(shè)或者公設(shè)（原理）；（3）描述現(xiàn)象，主要是數(shù)學(xué)描述；（4）進(jìn)行數(shù)學(xué)推理，得出一些結(jié)果；（5）對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

人類很早就學(xué)會(huì)了用火來制作食物、驅(qū)除寒冷，也對(duì)物體的冷熱程度有了一定的認(rèn)識(shí)。但是熱學(xué)并沒有因?yàn)槿祟愖钤绲年P(guān)注而發(fā)展成為一門科學(xué)，而是在牛頓力學(xué)發(fā)展完善之后才迅速發(fā)展了起來。而且，熱學(xué)的發(fā)展之路并不平坦，其間有數(shù)次步入歧途，例如長期在熱學(xué)領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位的“熱質(zhì)說”。科學(xué)的發(fā)展歷史往往就是如此，來來回回反反復(fù)復(fù)，一點(diǎn)點(diǎn)地最后才能看清事物的本質(zhì)。關(guān)于熱是什么？人們也是看法不同，例如，培根說熱是一種運(yùn)動(dòng)；笛卡爾把熱看成是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；牛頓也支持熱是運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)；但是占據(jù)統(tǒng)治地位的觀點(diǎn)是“熱質(zhì)說”，即熱是一種物質(zhì)。后來發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第一定律，從徹底推翻了“熱質(zhì)說”才讓熱學(xué)步入了正軌。

熱力學(xué)第一定律是這樣說的：

熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。

熱力學(xué)第一定律的推廣和本質(zhì)就是著名的能量守恒定律，熱力學(xué)第一定律可以說是能量守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用。但是往往二者是等價(jià)的，能量守恒定律就是熱力學(xué)第一定律。二者的關(guān)系相當(dāng)于一個(gè)人的大名和小名，應(yīng)用場合不一樣而已。

能量守恒定律是這樣說的：

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。

在了解能量守恒定律或者熱力學(xué)第一定律到底說了什么之前，我們先認(rèn)識(shí)幾個(gè)重要的物理學(xué)概念。什么是能量？能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的量度，簡稱“能”。世界萬物是不斷運(yùn)動(dòng)的，在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換就會(huì)涉及物體之間的相互作用，這種相互作用也可以叫做做功。所以能量也是表征物理系統(tǒng)做功的本領(lǐng)的量度。對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式，能量也有各種不同的形式，它們可以通過一定的方式互相轉(zhuǎn)換。動(dòng)能是物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量；勢能是物體由于相對(duì)位置而具有的能量；機(jī)械能是動(dòng)能和勢能的總和，這里的勢能分為重力勢能和彈性勢能；熱量就是熱能，是分子永不停息的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能。關(guān)于熱是什么的更多內(nèi)容，我們將在熱力學(xué)第二定律中細(xì)說。

能量守恒定律告訴了我們什么?它告訴了我們：（1）能量不滅，也就是說，運(yùn)動(dòng)不滅，世界萬物都在永不停息地運(yùn)動(dòng)著；（2）能量可以且只能相互轉(zhuǎn)換，也意味著，運(yùn)動(dòng)也是可以互相轉(zhuǎn)換的，例如，一個(gè)較快運(yùn)動(dòng)的物體和一個(gè)較慢運(yùn)動(dòng)的物體可以互相轉(zhuǎn)換，從而改變彼此的運(yùn)動(dòng)速度或者其他；（3）能量總值不變，宇宙開始有多少能量，那么它以后也是這么多能量，永遠(yuǎn)不變。

回到具體的熱力學(xué)我們又能知道什么？我們知道了：（1）熱是一種能量，是一種運(yùn)動(dòng)，是分子的運(yùn)動(dòng)。熱量作為一種能量，它不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失，而且熱量也就是一種運(yùn)動(dòng)而不會(huì)是一種物質(zhì)，這就根本上推翻了“熱質(zhì)說”；（2）熱量可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，也可以轉(zhuǎn)化成其他能量形式，例如冬天北方供暖就是熱量的轉(zhuǎn)移，熱量從暖氣轉(zhuǎn)移到空氣里，汽車內(nèi)燃機(jī)就是熱量的轉(zhuǎn)化，把熱能轉(zhuǎn)換成汽車的動(dòng)能；（3）一個(gè)物體轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化多少熱量，另一個(gè)物體就會(huì)得到多少熱量。

能量守恒定律是在19世紀(jì)中葉才被發(fā)現(xiàn)的，而且是經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程，多位科學(xué)家共同努力的結(jié)果。熱力學(xué)的發(fā)展主要由于這幾個(gè)原因：牛頓力學(xué)讓科學(xué)家對(duì)運(yùn)動(dòng)及其各種運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)換有了更清醒的認(rèn)識(shí)，同時(shí)科學(xué)家對(duì)熱的本質(zhì)有了正確的認(rèn)識(shí)，以及當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)等生產(chǎn)實(shí)踐需求。反觀整個(gè)科學(xué)史，沒有比熱力學(xué)第一定律的建立更復(fù)雜的了，很多科學(xué)家和工程師做出了貢獻(xiàn)，其中的代表科學(xué)家是：德國的邁爾、英國的焦耳、德國的亥姆霍次。熱力學(xué)第一定律的思想最初是由邁爾提出的，焦耳做了大量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，亥姆霍次進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。

說到熱力學(xué)第一定律，不得不提到永動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)定律還有另一種表述方式：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。什么是永動(dòng)機(jī)？永動(dòng)機(jī)是一種能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而不消耗能量的機(jī)器，這也是第一類永動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第二定律會(huì)涉及到第二類永動(dòng)機(jī)，它不違背能量守恒定律卻違背熱力學(xué)第二定律。歷史上很多人幻想可以制造出可以無中生有、源源不斷提供能量的機(jī)器。但能量守恒定律告訴我們，第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不可能造成的。