热学
热学（heat）是物理学的一个分支，主要研究物质热运动的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律，它起源于人类对冷热现象的探索。
热学理论有两个方面，一是宏观理论，即热力学；二是微观理论，即统计物理学。它们从不同角度研究热运动，这两个方面相辅相成，构成了热学的理论基础。热力学主要从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，不涉及物质结构和微观粒子的相互作用。统计物理学(又称气体动理论)从微观结构出发，以每个粒子遵循的力学规律为基础，用概率统计的方法导出由大量粒子组成的宏观物体的物理性质及宏观规律。
热力学与统计物理学目前广泛应用于热力工程学、化工学、气象学、材料科学、航天工程、生物工程等尖端科学技术中，成为当前物理学中最活跃的前沿之一。
发展
发展历史
对中国芮城县西候度旧石器时代遗址的考古研究，说明大约180万年前人类已开始使用火；约在公元前二千年中国已有气温反常的记载；在公元前，东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了五行学说，他把水、火、木、金、土称为五行，认为这是万事万物的根本，古希腊时期，赫拉克利特提出：火、水、土、气是自然界的四种独立元素，这些都是人们对自然界的早期认识。
18世纪以前，人们对热的本质和温度的概念还只有一些不成熟的想法，甚至连“温度”与“热量”都难区分开来。自18世纪初开始，正是测温技术和量热技术的逐步发展使热学走上了定量科学的轨道。
1714年，华伦海特改良水银温度计，定出华氏温标，建立了温度测量的一个共同的标准，使热学走上了实验科学的道路。
历史上对热的认识，出现过两种对立的观点。18世纪出现过热质说，把热看成是一种不生不灭的流质，一个物体含有的热质多，就具有较高的温度。与此相对立的是把热看成物质的一种运动的形式的观点，俄国科学家米哈伊尔·罗蒙诺索夫指出热是分子运动的表现。
针对热质说不能解释摩擦生热的困难，许多科学家进行了各种摩擦生热的实验，特别是本杰明·汤普森的实验，他用钝钻头钻炮筒，因钻头与炮筒内壁摩擦，在几乎没产生碎屑的情况下使水沸腾。1840年以后，焦耳做了一系列的实验，证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性，使人们弃了热质说，并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时，热学的两类实验技术——测温术和量热术也得到了发展。
1840年3月27日，赫斯提出：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”以后他把这条定律广泛应用于他的热化学研究中。赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理：热和功的总量与过程途径无关，只取决于体系的始末状态；体现了系统的内能的基本性质——与过程无关。赫斯的定律不仅反映了守恒的思想，也包括了“力”的转变思想。至此，能量转化与守恒定律已初步形成。
1847年，英国自然哲学家詹姆斯·普利斯科特·尤勒通过认真测算已知的功产生的热的数量，提出了热力学第一定律。
1850年前后，物理学界普遍认识到了热现象和分子运动的联系，但微观结构和分子运动的物理图像仍是模糊或未知的。凭借着对分子运动的假设和运用统计方法，鲁道夫·克劳修斯正确地导出了气体实验公式。另外，詹姆斯·麦克斯韦和路德维希·玻尔兹曼在研究分子分布规律和平衡态方面也做出了卓有成效的工作。后来约西亚·吉布斯把玻耳兹曼和麦克斯韦所创立的统计方法推广而发展成为系统的理论，将平衡态和涨落现象统一起来并结合分子动理论一起构成统计物理学。
19世纪初，蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析，由此热与机械功的相互转化关系得到了广泛的研究。埃瓦特(Peter Ewart)对煤燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，并建立了两者之间的定量联系。
1900年欧洲物理年会上，英国物理学家开尔文发表过一段非常著名的讲话，其中他不仅讲道“19世纪已将物理学大厦全部建成今后物理学家的任务就是修饰完善这座大厦了”，而且又讲道“在物理学的天空中几乎一片晴朗，只存在两朵乌云”。他所指的两朵乌云其实就是迈克尔逊-莫雷测量“以太风”实验和测量黑体辐射实验中用现有的经典物理无法解释。后来对“以太风”的测量的研究和阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论的建立，揭示了经典艾萨克·牛顿时空观的严重缺陷；而对黑体辐射能谱分布规律的研究及对热容量的研究，揭示了经典统计物理学理论的重大缺陷，发现了微观运动的新特性。1900年马克斯·普朗克提出了能量量子化的假设，用这种假设成功地揭示了黑体辐射问题。与量子力学的有机结合使经典统计物理学发展成为量子统计物理学。
1912年，能斯脱提出热力学第三定律后，人们对热的本质才有了正确的认识，并逐步建立起热学的科学理论。
二十世纪五十年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到迅速发展，其代表人物是比利时物理学家普里高金。
现代科学技术的发展，仍在继续推动着热力学的发展。例如，传统的热力学常把讨论限于无生命情形，然而在生命体中，热运动也是一种基本的运动形式，热力学第一定律和热力学第二定律依旧适用；超快过程和超热技术的发展，使非平衡性和非线性的影响加剧，对非平衡热力学的研究产生深远影响。
研究对象
热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的一门学科。它所涉及的现象非常广泛，例如物体的热胀冷缩，摩擦生热，气体、固体、液体与温度有关的物理性质及其相互转化等。
可以从宏观和微观两个不同角度对热现象、热运动进行研究，分别对应于热力学和统计物理学。
热力学是宏观理论，它是在概括大量实验事实的基础上，通过逻辑推理和演绎，归纳总结出关于物质各种宏观性质之间的关系、宏观过程进行的方向和限制等的规律，因而热力学理论是非常普遍和可靠的。从这个意义来说，热力学是无经典和现代之分的。热力学方法自然也有它的不足之处，除不能在理论上给出特定物质具体特性的知识外，它没有考虑物质的微观结构对宏观性质的作用，而是把物质作为宏观的连续体，把物质的性质用确定的连续函数来表示。事实上，物质是由大数微观粒子构成的，宏观性质是微观性质的统计平均，会表现出围绕平均值的涨落现象。热力学承认这是客观事实，但并不企图给予解释。
统计方法从物质的微观结构出发，认为一个系统的宏观性质是大数粒子无规则热运动的平均结果；从研究每个粒子所遵循的力学规律出发，用统计方法研究宏观物体的热现象。
在热现象的研究中，热力学和统计物理学是相辅相成的。对于任何热力学系统，微观量和宏观量必定是有联系的，因为它们是在描述同一物理现象的两种不同方法中所使用的量。热力学为统计物理学提供了大量实验依据，从而可以验证微观理论的正确性；统计物理学为热力学提供微观理论，从而可以深入到热现象的本质。
相关概念
温度
温度是描述热现象特有的物理概念。从宏观上来讲，温度是物体冷热程度的标志。当两个物体处于热平衡时，温度相等，可以用温度这个物理量来表征两物体所具有的共同性质。
微观观点认为，温度与物质内部分子运动密切相关，温度的高低反映着分子无规则运动的剧烈程度，是分子无规则运动平均动能的度量。
熵
是热力学系统的一个基本的状态函数。它使热力学第二定律得以表达为数学形式。熵可以在一定条件下表示某个宏观态出现的可能性的大小，并且可以作为系统是否处于平衡态的判据。熵最初只表达热力学第二定律所定义的系统。随着热力学理论的不断发展，它现在有三种不同的表现：在平衡态热力学中，是熵增加原理；在线性非平衡态热力学中，体现为最小熵产生原理；在非线性非平衡态热力学中，熵体现为超熵产生。超出热力学领域，熵还推广应用到各个领域中，形成经济熵、历史熵、能源熵、信息熵等概念。
一般情况下，人们把熵与混乱度相提并论。宏观的自发过程随着混乱程度的增加，可以把熵大致地看成是系统中混乱程度的一种量度。因为在这里，不可逆过程是增加的过程，在熵的变化和热力学几率的变化间，有这种函数关系，为熵，为热力学几率。一种宏观状态的几率越大，与它相对应的可能的微观状态的数目就越多，它们对应的程度越不确定，就越显得“混乱”。但这只适用于孤立系统。熵与混乱，并非在所有情况下和所有意义上都是等价的。对于非孤立系统几率最大的状态和最混乱的状态就可能不等同。
比热容
比热容(specificheatcapacity)是指单位质量的物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。比热容是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。
比热容通常用英文字母表示，其计算公式为：
其中，为物体吸收或放出的热量；为物体的质量；为物体升高或降低的温度。
在热学的范围中，一般常用的是以下三种比热容：
定压比热容：在定压条件下变化的比热容。对于热力学简单体系，只有两个自变量就可以确定其热力学状态的体系，即在压强、比容，温度中，如有两个是独立的自变量，则可用以下表达式：
式中为比。
定容比热容：在定容条件下变化的比热容。在和上面相同的条件下，可表示为
式中为比内能。
饱和比热容：物质沿饱和状态线上各状态点变化时所对应定义的比热容。即当物质由在某一温度(对应于相应的压强)时的饱和状态变化到相邻一点的饱和状态(对应于另一个温度和压强值)，体系的单位质量物质与外界的传热量和温度变化之比。
绝对零度
绝对零度是根据理想气体所遵循的规律，用外推的方法得到的。当温度降低到-273.15℃时，气体的体积将减小到零。若用分子运动论来解释，理想气体分子的平均平动动能由温度T确定，则可将绝对零度与“理想气体分子停止运动时的温度”等同看待。事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃时，早已变成液态或固态，它的温度趋于一个极限值，这个极限值就称为绝对零度。绝对零度是温度的最低点，实际上永远也不会达到的。
热力学定律
第零定律
假设有两个热力学系统，原来各处在一定的平衡态。在与外界影响隔绝的条件下，使这两个热力学系统进行接触，一般来说，二者的状态都要发生变化。实验证明，经过一段时间后，它们的宏观性质就不再变了，表明它们已经达到了一个共同的平衡态。这时，我们称这两个系统达到了热平衡，处于热平衡的两个系统的温度是相同的。
我们用三个原来各处在一定平衡态的系统A，B，C来做实验。现用绝热壁将B和C互相隔开，但使它们同时与A热接触。经过一段时间后，A和B以及A和C都将分别达到热平衡。这时如果再使B和C热接触，则发现B和C的宏观状态不发生变化，说明B和C也是处于热平衡的。由此得出结论：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。这个结论称为热平衡定律，在热力学中又叫做热力学第零定律(zerothlawofthermodynamics)。
热平衡定律表明：处于同一平衡态的所有热力学系统都具有一个共同的宏观性质，即具有相同的温度。换句话说，温度是决定系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。热平衡定律不仅为温度概念的建立提供了实验基础，而且为温度的测量(即接触式温度计的使用)提供了基本依据。在测量温度时，可使温度计与待测系统接触，经过一段时间等它们达到热平衡后，温度计的温度就等于待测系统的温度。温度计的温度可以通过它的一个状态参量标示出来。一般而言，任一物质的任一物理性质，只要它随温度的改变而显著地单调变化，都可以作为物质的测温性质用来标志温度。例如水银温度计用水银体积、铂电阻温度计用铂丝电阻、温差电偶温度计用温差电动势的变化来表示温度的变化。
第一定律
热力学第一定律就是能量守恒定律。根据应用领域和认知角度不同，热力学第一定律可以有不同的表述：
(1)热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他形式能量互相转换，但是在传递和转换的过程中，能量的总量保持不变；
(2)物体热力学能的增加等于物体吸收的热量和对物体做功的总和；
(3)第一类永动机是制造不出来的，也就是不消耗任何能量，却可以源源不断对外做功的机器是制造不出来的；
(4)能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形态转化为另一种形态，在能量的转换过程中，能量的总量不变。
热力学第一定律是普遍的能量守恒定律在涉及热现象领域中的具体表现，是人们长期进行生产实践和科学实验的科学总结。在历史上，很多科学家都为它的建立做出了贡献，特别值得提及的是迈尔·亥姆霍兹和焦耳。
大量的实验事实表明：对任一热力学系统，无论以何种方式实施某一过程，只要初末状态确定，外界对系统所做的功和外界向系统传递的热量的总和就是一个与过程性质无关的恒量。回忆重力场和静电场的性质，在重力场中重力对物体所做的功与路径无关，只由初末状态的位置确定：在静电场中库仑力对电荷所做的功也与路径无关，只由初末位置确定；因而断定存在重力势能或电势能，它们都是态函数。与此类同，也可断言任何热力学系统在任一平衡态都存在一个态函数U，即内能。用表示外界对系统所做的功，表示系统吸收的热量，表示系统内能的增量，则
(2。5。1)
对无限小的过程
(2。5。2)
式(2。5。1)和式(2。5。2)就是热力学第一定律在闭系的表达式。
对准静态过程
两点说明：
(1)由于内能是态函数，只要两个状态给定，内能的改变就是确定的，与通过什么过程来完成这两个状态间的过渡无关，所以是全微分。由于功和热量都与过程有关，所以和都不是全微分。
(2)当系统经一热力学循环后，=0，。这表明系统经循环过程对外做的功等于它吸入的热量。如果外界不供给能量，该系统不能对外做功，即第一类永动机是不可能实现的。
第二定律
热力学第二定律是闸明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件和限度的定律。与热力学第一定律一样，热力学第二定律是人类长期观察和实践经验的总结，无数的实践检验都证明了热力学第二定律和它的所有推论是正确的。
早在19世纪初法国工程师萨迪·卡诺发现，任何热机至少要有两个热源才能进行循环，热机在工作时，“热质”从高温物体流到低温物体，放出热量对外做功，正像水流从高处流向低处势能减少对外做功一样。在此基础上，鲁道夫·克劳修斯和开尔文分别于1850年和1851年提出了热力学第二定律的两种表述。
克劳修斯(Clausius)表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
克劳修斯表述告诉我们制冷机的效率一定是有限的。设有一个制冷机，不需要输人电功就可将热量从低温冷冻室传到高温外界环境，即热量自发从低温物体传到了高温物体，则这样的制冷机的效率为无限大(见下图)。克劳修斯表述告诉我们这样的理想制冷机是不存在的。应该说明，当有外界干预时热量可以从低温物体传向高温物体。例如，实际制冷机的制冷过程，是外界输入了电功，使冷冻室更冷。
开尔文（开尔文)表述：热机不可能从单一热源吸热，使之完全转化为有用的功而不产生其他影响。
如果热机从单一热源吸热完全转化为功，则其效率等于100%，而且这样的过程与热力学第一定律不矛盾。开尔文表述告诉我们这样的热机不存在，任何热机的效率一定小于100%。
称从单一热源吸热的热机为第二类永动机，可如下图所示。想象让海水温度降低0。01℃会为人类提供巨大的能量，将海洋作为单一热源时驱动的热机完全可以认为是永动的。热力学第二定律告诉我们“第二类永动机造不成”，人们也将其称为热力学第二定律的另一种表述。
应该说明，如果一个热力学系统经历的过程不是热力学循环，则系统可以从单一热源吸热并转化为功。如气体等温膨胀从单一热源吸热，同时对外做功，但气体的体积增大了。
第三定律
在20世纪初，由于研究低温下的物体的性质，瓦尔特·能斯特建立了热力学第三定律(或称能斯特定理)。经过长期实践证明，它也是一个普遍规律。
1906年，能斯特从低温下化学反应的大量实验事实中总结出：随着温度向0K趋近，等温过程中任何平衡系统的熵不再和任何热力学参量有关，在极限情况(T=0K)下，对于所有系统，熵都有同样的恒定值，可取此值等于零。即
（2。5。3）
或
（2。5。4）
式中，x可为任何热力学参量(V，p，…)，这就是热力学第三定律的表述。
几点说明
(1)由式(2。5。3)可知，当时，熵不变()，这就是说，的等温过程同时也是等熵过程，因而也是绝热过程。因而，绝对零度的等温线和等熵线(绝热线)重合。
(2)热力学第三定律确定了时导数，的极限，但并没有确定的极限。对大多数物体
而对某些物体，这个极限并不为零。
(3)热刀学第三定律对任何平衡系统或可逆过程都成立。
热学过程与循环
等容过程（IsochoricProcess）
设密闭的容器中装有一定量的理想气体，物质的量为。系统经一准静态等容过程从状态()变化到状态，如下图所示。由于该过程中体积始终保持不变，因此该过程对应的曲线是一条平行于p轴的直线，叫等容线。该过程中任一状态参量满足过程方程：
或
其中，和为两个常量，可由过程中某一已知状态参量确定。在等容过程中，，所以系统做功：
由热力学第一定律可知，系统所吸收的热量等于内能的增量。假设系统的定容摩尔热容为常量，则可得
系统从外界吸收的热量全部转化为系统的内能。
等压过程（IsobaricProcess）
设一定质量的理想气体系统，物质的量为，经一准静态等压过程从状态1变化到状态2，如下图所示。由于压强恒定，因此等压过程的曲线是一条平行于V轴的直线，称为等压线，对应的过程方程为
或
在等压过程中，是常量，所以系统对外界所做的功：
由于内能是状态量，且理想气体的内能只是温度的函数，所以等压过程中内能的增量也可表示为
根据热力学第一定律可得过程中系统吸收的热量：
系统从外界吸收的热量中，一部分转化为系统的内能，另一部分则用来对外界做功。
等温过程（IsothermalProcess）
设一定量的理想气体，物质的量为，经历一准静态等温过程从状态1变化到状态2，如下图所示。由于系统温度保持不变，因此等温过程的曲线是一条双曲线，称为等温线。等温线把图分为两个区域，等温线以上的区域气体的温度大于，等温线以下的区域气体的温度小于。
其过程方程为
或
理想气体的内能只与温度有关，所以内能的增量。因为过程方程，所以等温过程系统做功：
根据热力学第一定律，系统吸收的热量：
在等温过程中，系统从外界吸收的热量全部用来对外做功。
绝热过程
绝热过程是气体系统在状态变化过程中与外界始终不交换热量的过程。自然界中并不存在严格的绝热过程，不过在某些过程中，如内燃机汽缸内混合气体的燃烧和爆炸、声波在传播中引起空气的压缩和膨胀，过程进行得极快，系统来不及与外界交换热量，则可近似地看作绝热过程。
设一定质量的理想气体系统，物质的量为，经一准静态绝热过程从状态1变化到状态2，由于绝热过程系统与外界始终不交换热量，即，由热力学第一定律可得
（3.1.1）
表明在准静态绝热过程中，外界对系统做的功完全转化为系统的内能。
对于理想气体
（3.1.2）
将式(3.1.2)代入式(3.1.1)，可得
（3.1.3）
另一方面，对理想气体状态方程
两边同时求导数，可得
（3.1.4）
联立式(3.1.3)和式(3.1.4)得
上式两边同时除以，并利用迈耶公式和的定义，可得
（3.1.5）
这是理想气体准静态绝热过程中状态参量满足的微分方程。对式(3.1.5)两边积分得
（3.1.6）
式中，C为积分常数。式(3.1.6)常写为
（3.1.7）
式中，为一常量。利用理想气体状态方程，还可导出准静态绝热过程中与的关系，及与的关系：
（3.1.8）
（3.1.9）
中，和是另外两个常量。式（3.1.7）~（3.1.9）都是理想气体准静态绝热过程方程。
根据绝热过程方程，可在图上画出绝热过程曲线，如下图所示，简称绝热线。
气体系统经绝热过程从初状态到末状态的变化过程，内能的变化为
系统所做的功为
利用绝热过程方程式（3。1。7）绝热过程·中系统对外界所做的功还可写为
热学循环
卡诺循环（Carnot Cycle）
在对热力学循环的效率进行研究时，卡诺摒弃了一切次要因素，选择了一个理想循环，他设想在整个循环过程气体只与两个温度为的恒温热源接触，整个循环过程由两个等温过程和两个绝热过程构成，这样的循环称为卡诺循环，按照卡诺循环工作的热机称为卡诺热机，如下图所示为一卡诺绝热线热机的循环过程，其中，分别为等温膨胀、等温压缩过程，分别为绝热膨胀、绝热压缩过程。
朗肯循环(Rankinecycle)
朗肯循环是以水蒸气为工质的一种循环。现代蒸汽动力循环以朗肯循环为主。基本朗肯循环是由19世纪苏格兰工程师威廉·郎肯(WiliamRankine)提出来的。现代蒸汽动力循环有很多改进，使得效率大幅提高，广泛用于热力发电，如煤电、核电等。
水是朗肯循环中最常用的工作流体，因此，朗肯循环有时也称为蒸汽动力循环。理想基本朗肯循环由四个过程组成，分别在四个设备内完成：泵、蒸汽发生器、汽轮机和冷凝器。系统布局如下图所示。
该系统中，锅炉和过热器就是蒸汽发生器。理想基本朗肯循环有如下四个过程：
过程：蒸汽在汽轮机中的定熵膨胀过程；
过程：湿蒸汽在冷凝器中的定压放热和冷凝过程；
过程：水在水泵中的定压缩和加压过程：过程4-1：水在锅炉和过热器内的定压加热过程。
过程：水在锅炉和过热器内的定压加热过程。
布雷顿循环（BraytonCycle）
布雷顿循环(Braytoncycle)是以气体为工质的循环，是由19世纪美国工程师乔治·布雷顿(GeorgeBrayton)提出来的。燃气轮机循环就是布雷顿循环，常用作发电动力循环和飞行器动力循环，如涡喷或涡扇式发动机循环。基本布雷顿循环系统包含一个压气机、一个燃烧室和一个燃气轮机，如下图所示。布雷顿循环中的工作流体是空气和其燃烧气体，因此，布雷顿循环有时也称为燃气轮机循环。
理想基本布雷顿循环由如下四个基本热力过程所组成，其中三个过程在装置内实现，另一个过程在大气中实现：
过程：空气在压气机中的定熵压缩过程；
过程：气体在燃烧室内的定压加热过程；
过程：燃气轮机中的定熵膨胀过程；
过程；大气中的定压冷却过程。
奥托循环（OttoCycle）
奥托循环也称定容加热循环。准静态奥托循环是由两条绝热线和两条等容线构成的，如下图所示。
奥托循环包括四个分过程，叙述如下：
(1)吸入燃料过程气缸吸入汽油蒸汽及助燃空气，这是等压过程(图中过程a6)，压强约等于一个大气压，
(2)压缩过程活塞自右向左移动，将已吸入气缸内的混合气体压缩，混合气体的体积减小，温度升高，压强增大，由于压缩较快，气缸散热较慢，故可看作一绝热过程(图中bc)。
(3)爆炸、作功过程紧接着上一过程，在高温压缩的气体中，用电火花或其它方式引起气体燃烧爆炸，气体压强随之突然增加。由于爆炸瞬间活塞移动的距离极小，故这一爆炸瞬间的变化可看作等容过程(图中cd)，巨大的压强把活塞向右推动作功，而压强则随着气体的影胀而迅速降低，爆炸后的这一作功过程可看作一绝热过程(图中de)。
(4)排气过程排气口开放后，气体的压强骤然降低至大气压强，这近似于等容过程(图中e6)，然后再由飞轮的惯性带动活塞使之从右向左移动，排出废气，这是等压过程(图中6a)，至此第一个循环结束。此后，第二个循环开始。
应用领域
工程学
热机
热机(heatengine)是一种可以吸收热量并把一部分热能转化为功的机器。蒸汽轮机就是种重要的热机，大多数现代电厂用它发电。汽车中使用的内燃机并没有真正地吸收外界的热量但是如果我们将它的热能当作是从外部而非内部来的话，也可以把它看成一种热机。
制冷机
制冷机是利用外界做功，使热量由低温处流到高温处，从而获得低温的机器。在制冷机中，工作物质做逆循环。在p-V图上，逆循环按逆时针方向进行。
蒸汽机
蒸汽机(steamengine)是和内燃机相差甚大的一种热机，在19世纪，蒸汽机的身影无处不在，时至今日，它还在大型电厂中为我们发电。蒸气通过推动活塞或者涡轮来做功，热由化石燃料的燃烧或的裂变产生。下图显示了这个循环——朗肯循环(Rankinecycle)——的示意图以及对应的理想情况下的P-V图。从点1开始，水被泵入高压点2然后流入锅炉，之后在恒定压强下加热：在点3处，蒸气撞击涡轮同时绝热膨胀、冷却并回到最一开始的低压(点4)；最后，部分冷凝的流体(水+蒸气)流入“冷凝器”(一系列管道组成的网络，通过与低温热库良好的热接触给流体散热)进一步放热液化。
冷却塔用来除去水中的热量并将其散发到大气中。它有许多种可用的类型，其中三种最常用的类型是空冷式、闭式及蒸发式。
空冷式换热系统包含一个自带水箱和一个电动机水泵、一个空冷塔(由冷却管、片和风扇组成)。与蒸发系统相比，这些空冷系统的维护非常低，但它们比蒸发式冷却塔的换热能力(BTU)小。带压的闭环冷却塔的循环水需使用乙二醇，以防内部的冷却管束被冻爆，冷却塔还包括一个集水盘及避免集水盘结冰的加热器，通常在冷却系统的管道外部需加装加热带保温防止管道冻坏。
化学
在化学变化的过程中，伴随着放热、吸热、发光、发热、放出气体、生成沉淀等现象。因此无论起什么化学反应，一定伴随着能量变化，或者是吸收热量，或者是放出热量。比如在中学课程中的或都是放热反应。有些反应需要在一定温度下才能发生。如碳在常温时与氧气一般不起化学反应，这时所加的热并不时反应过程中的能量变化，而是用来引发这个化学反应的。而与，的化学反应一旦引发，反应发生的热就能够使反应继续进行，不再需要进行外加热。这两个反应都是吸热反应，由于吸热反应的过程
要吸收热量，所以反应时往往需要用加热或高温条件手段不断提供热量，才能使反应正常进行下去。否则随着温度的不断下降，反应将不能进行。
生物医学
生物传感器
生物传感器(biosensor)是在生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多种学科相互渗透中成长起来的一门新学科。一般有两个主要组成部分，其一是识别元件(感受器)，是具有识别待测物能力的生物活性物质；其二是信号转换器(换能器)。当待测物与识别元件特异性结合后，所产生的配位化合物(或光热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。
热电换能器
热电换能器是利用热电偶或热敏电阻来实现换能的。热电偶的主要元件是康铜丝，它是一种含有铜、、锰的电阻合金，电阻温度系数较小，它对铜热电势高，可直接把热能变为电能。如下图a所示，当康铜丝两端存在温度差时，接在康铜丝两端的铜丝末梢会出现等量异种电荷，从而两铜丝的末梢间会产生与温度差成正比的电压。这样如康铜丝一端的温度恒定或已知，利用测得的电势差可直接获得另一端的温度。
医学上利用热电偶可测得身体内部或体表的温度。热敏电阻是利用半导体在温度升高时，半导体中的载流子浓度增加，半导体的阻值减小这一特性，使它和其它电阻组成电桥，由电桥感知微小的阻值变化。如下图b所示，为热敏电阻，为平衡电阻，、为电桥电阻，使用时放置在被测部位，处温度恒定或已知，如时，电桥平衡，和处的温差为零，没有信号输出；当处的温度有所变化时，的阻值会发生微小变化，电桥的平衡被破坏，，此时会有信号输出，输出信号的电压在小范围内和、处的温度差成正比。和处的温度差愈大，电桥越不平衡，经放大显示后的温度值越高。在医学上热电换能器用于测量生物体的温度和体温监控。
材料科学
火
淬火是将工件加热至或以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。火是强化工件最重要的热处理方法。
热管理复合材料
从热管理的角度研究电子封装用的材料，通过对复合材料进行组分与其含量的选择和排列取向的设计，而使之具有适合要求的热导率或线膨胀系数，增大系统功率输出、降低系统热疲劳损伤和热应力破坏，这类材料称之为热管理材料。该类复合材料在航空航天、汽车和电子领域中有着广泛的应用。
随着电子及通讯技术的迅速发展，高性能芯片和大规模及超大规模集成电路的使用越来越广泛。电子器件芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，而体积却逐渐缩小，这些都使芯片的热流密度迅速升高。高温将会对电子元器件的性能产生有害的影响，譬如过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力损伤。随着温度的增加，其失效率呈指数增长趋势，甚至有的器件在环境温度每升高10℃，失效率增大一倍以上，被称为10℃法则。据统计，电子设备的失效率有55%是由温度超过规定的值引起的。同时，大多电子芯片的待机发热量低而运行时发热量大，瞬间温升快。这就要求基板和封装材料具有越来越优异的性能，如高热导率、低膨胀系数、低介电系数和热稳定性。
能源利用
蓄热系统
蓄热技术是指采用适当的方式，利用特定的装置，将暂时不用或多余的热量通过一定的蓄热材料储存起来，需要时再释放出来加以利用的方法。
蓄热方式适用于只限白天才有的太阳能系统或者是要想避开白天电力高峰负荷的场合。采用蓄热系统可进一步降低装置的容量，减小能耗费用(由于夜间电价等原因)。
在蓄热的手段方面，有利用固体、液体的显热蓄热和潜热蓄热，有利用化学反应热的蓄热等。在建筑设备里，最便于利用的是作为热媒本身的水的显热蓄热。由于其比热大、处理方便，所以最为实用，实际使用也最多。
太阳能热发电系统
所谓太阳能热发电，就是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将某种工质加热到数百摄氏度的高温，然后经过热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽其压力和温度均已大为降低，经过冷凝器冷凝为液体后，被重新泵回热交换器，又开始新的循环。由于整个发电系统的热均来自于太阳能，因而称之为太阳能热发电系统。
利用太阳能进行热发电的能量转换过程为：首先将太阳辐射转换为热能，然后将热能转换为机械能，最后将机械能转换为电能。
参考资料
热学.术语在线.2024-02-12