热力学(自然科学分支)

开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标

热力学原理是一些制约能量从一种形式转换为另一种形式的定律。这些定律的很多推论给出物质性质与压力、温度、电场、磁场、成分的改变所产生的效应之间的关系。热力学是建立在人们共同经验观测基础之上的，由这些观测归纳成热力学定律。从几个这样的定律出发，可用纯逻辑推理的方法，演绎出这一学科的全部其余定律。有一种做法认为只有少数定律是独立的，从它们可以推导出其余定律。最近的趋势是选择不是最早发现的那些定律和假设作为基本的定律和假设。某些这种选择是十分有用的，因为由此可以很快地推导出其余定律。但是这里仍将讨论随着历史的发展而出现的那些定律，因为它们既不抽象，又可提供一个较明晰的物理解释。

可以说，当定义了三个态函数：绝对温度T、内能U和熵S后，热力学原理的整个发展就完满了。

第零定律确立了温度的概念，第一定律定义了内能，第二定律引进了墒的概念和绝对温标。最后，第三定律描述了嫡在绝对温度趋向零时的行为。为了便于说明，必须定义几个名词。系统是要考察的那部分物质世界。其余部分是周围介质。开放系统可以与周围介质交换物质、热量和功。封闭系统可以与周围介质交换热量和功，但不交换物质。孤立系统不与周围介质发生任何交换。一个封闭系统或者孤立系统有时是指一个物体。一个系统内空间上均一的部分叫做担。例如一个液体连同蒸气可以认为是两相系统。如果需要的话，可以把系统搞得相当仔细，但因关心的是热性质，所以只讨论没有受电场或磁场作用的单相各向同性的系统，唯一允许的作用力是均匀的法向压力产生的。

这样一个约束不是对热力学普遍性以根本限制，而只是便于教学。平衡态的特性与热力学有关的物质性质都是一些宏观性质，如温度、压力、体积、浓度、表面张力和粘滞度，不使用像原子间距离那样的分子性质。一个系统的状态是由全部宏观性质连同它们的空间变化来加以确定的。经验证明，一个孤立系统总会趋向一个特别简单的终态，此时系统的宏观性质是恒定的，而且在空间上是均匀的。这样的简单状态称为平衡态。如果人们关心一个单相系统的某一个给定的量，其平衡态完全可由r1个系统的宏观性质所确定，这里r是组元的数目。对一个不受磁场和电场作用的单组元、单相系统可以固定系统的两个宏观性质，例如压力和体积所有其余宏观性质，如粘滞度、表面张力等等，也都取固定值。