热学是一门研究热现象及其本质和规律的学科。所谓热现象，就是与冷和热相关的现象。热学的基本规律包含宏观理论和微观理论两部分。前者是以热力学第零、第一、第二和第三定律为基础的热力学理论，后者是以物质的微观结构为基础的气体动理论（又称分子运动论）。热力学理论建立在无可辩驳的广泛实验基础之上，不涉及物质的具体结构，因而具有普适性，但不能揭示宏观现象背后的微观物理机制，即不能回答“为什么”。气体动理论建立在物质微观模型的具体假设之上，能够回答“为什么”，但不具有宏观理论的普适性。宏观理论与微观理论优势互补，仿佛两个半圆，若要揭示物质世界圆满的自然法则，二者缺一不可。本书的内容即是以热力学理论和气体动理论为主。
热学是一门古老而常新的学科。热学的发展史与人类文明进步史息息相关，最早可追溯到史前时期。人类还在茹毛饮血的时代，就已经掌握了获取火种的方法，学会了使用工具。17世纪，玻意耳发现人类历史上第一个实验“定律”——气体的玻意耳定律。17世纪末到18世纪，人类发明改良了将热和工具结合起来的强大机器——热机，并以此为契机突破性地推动了热学的进展。在此基础上，社会生产效率得到极大提高，第一次工业革命犹如星星之火，迅猛燎原。从此以后，人类社会就开始了日新月异的加速进步。进入21世纪，热学仍然活跃在各个前沿领域，从液氦制冷机到核裂变反应堆，从计算机cPu芯片制造到外太空探索……继续推进人类的福祉和发展。热学的发展史一再验证，热学是一门需要综合运用宏观与微观视角的学科，非如此不能够透过纷繁复杂的热现象抓住其本质。正如黄昆先生所言，“宏微交替，物穷其理”——这种宏微交替的科学思维方式和研究方法，在其他学科中是罕见的。因此，不管是从认识、理解物质世界运行规律并以之为人类造福的角度，还是从培养严格、严谨的科学思维方式的角度，热学都是一门极其重要的学科。
热学是科学的范本。从第一次工业革命，到第二次工业革命，到第三次工业革命，人类社会的发展进步对科学的依赖日益深重。科学是人类认识世界的一种方式。由科学发现所累积起来的知识，是人类迄今为止所获得的最可靠的知识。那么，科学的特征是什么？换言之，科学的目的是什么？科学的精神在于何处？科学的方法包含哪些？这些基本问题都可以在热学这门学科中找到答案。
首先，科学的目的是求真，即寻找和发现客观规律。在此基础上，人类可以运用客观规律理解世界万象背后的本质，也可以利用这些规律为社会谋福利。例如，在热学发展过程中，对于热的本质，19世纪的科学家们一度有错误的认识，认为热来自于“热质”，它是一种神秘的气体，看不见摸不着，但可以穿透固体和液体的缝隙在物质之间交换。对于热的本质的执着探求，让焦耳等在大量实验的基础上打破了热质说的错误理论，从而建立起热力学第一定律，即能量守恒与转化定律（见2。2节）。实践证明，这是具有最广泛普适性的规律，人类从此有了一个非常强大的理论工具，可以用于分析一切物质的一切状态与一切过程。与热力学第一定律一样，热力学的其他基本定律也建立在广泛的实验基础之上，是普适性极强的客观规律。因此爱因斯坦博士曾言，“（经典热力学）是具有普遍内容的、唯一的物理理论。我深信。在其基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的”。自这些客观规律被发现以来，科学家与工程师们就一直在运用它们为人类服务，例如内燃机（见2。8节）就是在热力学理论，特别是卡诺热机理论的指引下发明的，有了这个强大的动力心脏之后，才出现了汽车、飞机等现代交通工具。
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