热学
热学（汉语拼音：Rexue；英语：Heat），研究物质处于热状态下有关性质和规律的物理学分支学科。热学起源于人类对冷热现象本质的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是人类最早观察和认识的自然现象之一。
简史
中国山西省芮城西侯度旧石器时代的遗址说明，大约180万年前人类已开始使用火。约在公元前2000 年，中国已有气温反常的记载。公元前，东方和西方都出现了热学领域的早期学说。中国战国时代的邹衍创立五行学说，他把水、火、木、金、土称为五行，认为这是万事万物的根本。古希腊的赫拉克利特提出火、水、土、气是自然界的4种独立元素。
热现象的初期研究是和工业化的进程相联系的，涉及蒸汽机的改进、计温学和量热学的发展以及传热现象的研究等许多方面。16、17世纪煤已广泛用作燃料，为了解决矿井的排水问题，设计和研制了蒸汽水泵。18世纪70～80年代，J.瓦特进行了大量的试验和改进，先后设计制作了冷凝器、飞轮和离心调速装置，使蒸汽机能够旋转动作，达到了近代水平，对工业发展产生了巨大的推动作用。
温度的测量
它是确定物体的冷热程度，定量研究各种热现象的开端。第一个实用的温度计是1709年荷兰G.D.华伦海特制造的酒精温度计（后改进为水银温度计）。他把冰、水、氨水和盐混合物的温度定为 0°F，人的体温定为100°F，后改为冰水混合的温度（冰点 ）为32°F，水沸腾的温度（沸点）为 212°F。1742年瑞典的A.摄尔修斯引入百分刻度法，以水银为测温物质，原规定冰点100℃，汽点0℃，因与习惯不合，后来作了对调。J.布莱克对温度和热量概念的区分，比热和潜热概念的引入，物态变化时吸热或放热效应的发现以及利用混合法根据水的温度改变来测量热量等等，标志着量热学的诞生。计温和量热是热学实验的两大类，尤以计温为热学实验的根本，一切热学实验都离不开温度的测量。计温学和量热学的发展使热学走上了实验科学的道路。
量热学
关于传热现象的第一个定律是牛顿发现的冷却定律，它指出物体单位表面在单位时间散发的热量与物体和外界的温度差成正比。关于物体各部分之间的热传导，1822年法国的J.傅里叶给出了一个经验定律：单位时间通过一层介质传递的热量，正比于该层两界面的温度差及面积，而与该层的厚度成反比。由此进一步得出了著名的热传导方程 。
热的本质
上述初期研究推动了热学的发展，同时也提出了“热是什么? ”的基本问题。关于热的本性或本质，自古就有不同的看法。F.培根、R.玻意耳、R.笛卡尔 、R.胡克、I.牛顿、D.伯努利、M. V.罗蒙诺索夫等人根据摩擦生热等现象，认为热是粒子的运动，物体因粒子的剧烈运动而发热。但在当时，热是运动的观点还缺乏足够的实验根据。与此对立的另一种看法是热质说，它认为，热是一种流质，名为热质，可透入一切物体之中，不生不灭；一个物体是冷还是热，取决于其中所含热质的多少。热质说可以简单地解释大部分热学现象：物体温度的变化是因为吸收、放出了热质，热传导是热质的流动，热辐射是热质的传播，热膨胀是热质粒子之间的排斥，等等。但是，热质说无法解释C.伦福德所作的炮膛钻孔时碎屑温度很高的事实，也无法说明H.戴维所作的在真空容器中两块冰摩擦后溶化的实验。
热功当量
德国医生J.R.迈尔关于热量与功相当的看法意义重大，他认为热是能量的一种形式，可以与机械能互相转化，并以空气的定压比热与定体比热之差算出热的功当量。J. P.焦耳从1840年起，利用电的热效应和各种不同的机械生热法来求热功当量，经过长达20多年的实验研究，得到了一致的结果。焦耳测定的热功当量，为能量守恒定律的确立奠定了实验基础，也为热质说和热是运动学说的争论作出了决定性的判决。
热学理论
能量转化和守恒定律是物理学中一个具有普遍意义的原理，它的建立标志着人们已经从各种局部规律的探索，上升到把握住形式多样的能量传递和转化过程的共同特征。能量守恒不仅具有数量上的意义，而且表明物质运动的不灭性和永恒性，物质的各种不同运动形式及其间的相互转化是自然界固有的特征，永远不会停息也不会消灭。热力学第一定律就是能量守恒定律，它涉及的是热运动能量与其他形式能量之间的转化。内能概念的引入和热力学第一定律的定量表述成为热学宏观理论——热力学的重要基础，也使之得以在物理学各部门广泛应用，推动了整个物理学的发展。热力学第一定律为永动机不可能造成作出了最后的科学判决。
1824年法国的S.卡诺认为应该从足够普遍的观点去研究由热得到运动的问题。他提出的卡诺循环和证明的卡诺定理，阐明了热机效率的上限以及提高热机效率的途径，成为热机研究的理论依据。卡诺这种撇开具体装置和具体工作过程，运用理想模型进行抽象普遍研究的方法，后来被贯穿在整个热力学之中。1848年L.开尔文根据卡诺定理建立了绝对温标，1850年R.克劳修斯根据卡诺定理建立了热力学第二定律。1851年开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述。热力学第二定律是独立于热力学第一定律的又一普遍规律，它指出一切涉及热现象的实际宏观过程都是不可逆的，它阐明了能量转换或传递的方向、条件和限度。1865年克劳修斯引入了态函数熵，为热力学第二定律提供了定量表述。1905年W.能斯脱提出热力学第三定律：绝对零度是不能达到的。另外，作为定义 温度 依据的热平衡定 律也被称为热力学第零定律。上述热力学定律以及基本的态函数——温度、内能、熵，构成了完整的热力学的理论体系。热力学是热学理论的一个方面，它主要是从能量转化的观点研究物质的热性质，阐明能量从一种形式转换为另一种形式时应遵循的宏观规律。热学理论的另一方面是热的分子学说。这是一种微观理论，它根据分子的运动和分子间的相互作用，用统计平均的方法，得出大量分子热运动所遵循的统计规律，建立宏观量与相应微观量平均值的关系，为热力学系统的宏观性质和规律提供微观统计解释。早期的统计理论是气体动理论（即气体分子运动论），后来发展为统计物理。建立在经典力学和量子力学基础上的统计理论分别称为经典统计物理和量子统计物理。
热的分子学说是从气体性质的研究开始的。从17世纪到19世纪初，一系列气体实验定律先后建立，它们是玻意耳定律、盖·吕萨克定律、查理定律、阿伏伽德罗定律和道尔顿定律。19世纪中叶，R.克劳修斯把分子看作质点，导出了压强公式，把气体压强与分子速率的平均值联系起来，解释了气体实验定律，并给出了氧、氮、氢气体分子在0℃的方均根速率的数据。克劳修斯又采用弹性球分子模型，利用概率概念，导出了气体分子平均自由程的公式。J.C.麦克斯韦认为气体分子的频繁碰撞并未使它们的速率一致，而是趋于某种稳定分布。他给出了著名的麦克斯韦分布，据此修正了克劳修斯的平均自由程公式，并用于讨论气体的输运过程。麦克斯韦还利用粘滞系数的实验数据，首次给出平均自由程和平均碰撞频率的数据。J.洛喜密脱利用同种物质液体与气体密度之比，估算出分子的大小和单位体积气体所含分子数。上述重要结论和定量数据描绘了一幅比较完整的、有内在联系的分子世界的物理图画。L.玻耳兹曼引入了含时间的非平衡态分布函数及其演化方程，定义了H函数，证明了H定理，阐明了熵的统计意义（熵是与宏观状态所对应的微观状态的数目相联系的），揭示了实际热力学过程不可逆性的微观统计本质（热力学系统从比较有序的概率小的状态向比较无序的概率大的状态过渡，最后达到最概然的平衡态），这是气体动理论的重大进展。
但是，麦克斯韦和玻耳兹曼都清醒地认识到气体动理论以分子为统计个体，需要对分子的结构以及分子间的相互作用作出并无根据的猜测或假设，这是它的根本困难 和限制。后来，J.W.吉布斯把整个系统作为统计的个体，研究由大量系统构成的系综在相宇中的分布，建立了统计物理学。
热学的宏观理论是热力学，微观理论是统计物理学，两者相辅相成，构成了热学的理论基础。
