研究热与功相互转化及其限度的科学。1824年卡诺为求热机效率的上限写成《论火的动力》，19世纪中叶焦耳、克劳修斯、开尔文等确立了能量守恒与熵增两条定律。
研究这些机器极有意义，它们的重要性无比巨大，用途与日俱增，似乎注定要在文明世界引起一场伟大的革命。……然而它们的理论还很不成熟，改进它们的尝试几乎仍在碰运气。
—— 萨迪·卡诺《论火的动力》（巴黎，1824）开篇；中译据法文原文
历史
所谓热力学，研究热与机械功的转化及其限度。1824年，法国工程师萨迪·卡诺出版《论火的动力》，追问一台热机最多能做多少功。他仍把热看作一种流体“热质”，却得出至今成立的结论，热机做功依赖于热从高温物体流向低温物体，最大效率只取决于两端的温度，与用蒸汽还是空气无关。此书在卡诺生前几乎无人注意，他1832年死于霍乱，时年36岁。1834年，克拉佩龙用压力与体积的坐标图重述卡诺的论证，瓦特的工场1796年起已秘密使用同一形式的示功图。1840年代，迈尔、焦耳和亥姆霍兹各自提出热与功可以相互转换而总量守恒，焦耳用落锤带动叶轮搅水，测出热功当量。能量守恒与卡诺的结论看似矛盾，1850年克劳修斯、1851年威廉·汤姆森（后来的开尔文勋爵）分别加以调和，形成第一、第二定律。1865年，克劳修斯取希腊文“转变”之意造出“熵”一词，并总结说宇宙的能量恒定，宇宙的熵趋于最大。1877年，玻尔兹曼把熵与分子排列方式的概率联系起来，为第二定律给出统计解释，这一关系后来写成S＝k log W，刻在他的墓碑上。
关联
参考文献
- Sadi Carnot，Réflexions sur la puissance motrice du feu（1824）
- D. S. L. Cardwell，From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age（1971）
- Thomas S. Kuhn，Energy Conservation as an Example of Simultaneous Discovery (in Critical Problems in the History of Science, ed. M. Clagett)（1959）
- Crosbie Smith，The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain（1998）
考据说明证据较充分
- 能量守恒的发现权曾在迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人之间引起争执。
- 卡诺晚年的手稿是否表明他已放弃热质说，尚有讨论。
- “科学受惠于蒸汽机多于蒸汽机受惠于科学”一语常被归于L. J. 亨德森，但未见原始出处，故未采用。
- S＝k log W 这一写法出自普朗克。
史论
热力学是科学向机器学习的典型例子。按理说理论应当指导技术，可是蒸汽机从纽可门到瓦特已运转一百多年，卡诺仍要承认它的理论很不成熟，功、效率、循环、可逆过程这些基本概念，都是从热机中抽象出来的。另一方面，它很快超出了机器，能量守恒把力学、热学、电学、化学乃至生理学的现象记在同一本账上，熵增定律则给出了物理学中少有的时间方向。1852年，开尔文据此推论自然界的机械能不断耗散，地球终将不再适于人类居住，这一推论后来常被引申为宇宙“热寂”的图景。熵的概念又被统计力学重新解释，1948年香农把度量消息不确定性的量也称作熵，两者是否同一回事，至今仍有讨论。