春节期间，我们将陆续发布“复兴路上的科学力量——中国科学院2024跨年科学演讲”视频，微信搜索“科学大院”进入公众号或视频号即可选择观看。在演讲活动中，中国科学院物理研究所曹则贤研究员开讲《热力学——一个简单原理的传奇》。现将演讲全文内容整理如下，个别字词稍有改动。由于微信字数限制，全文将分为上下两部分推送。
本文为上篇，包含引言、热力学是什么样的学问、冷热现象、冷热的定性与定量、热机与第一次工业革命五部分内容。下篇详见今日的第二条推送，包含热力学理论的构建、过程与状态的热力学、从热的力学理论到统计力学、热力学与量子理论/相对论/生命、结语、回答网友提问六部分内容。
引言
各位尊敬的来宾、远方屏幕前我的亲人们、朋友们、父老乡亲们，大家新年好！马上就要新年了，现在有各种各样的跨年活动，能够愿意花时间来听我给大家讲热力学的，我想对物理学一定是真爱。今天，这个题目叫《热力学——一个简单原理的传奇》。就是说这个原理很简单，一句话就能给大家说清楚，但是它演绎出了很多的传奇，听我慢慢讲。
那么先回顾一下我们中国科学院的跨年科学演讲，在过去4年，我讲了量子力学、相对论、规范场论和电动力学，未来如果还有舞台的话，我们会继续讲下去。我接下来会给大家讲经典力学、仪器物理、数学物理、光学、原子物理，甚至会给大家讲metaphysics。所谓的“后物理学”在我们汉语里翻译成“形而上学”，甚至带一些贬义，其实那也是物理学发展过程中的一个重要阶段，或者说是物理学的一个侧面。
反正就是说有这样的机会，我们中国科学院向社会提供这样一个舞台，只要舞台上有我的一角，我都会继续给大家讲下去。也感谢大家多年来一直的支持，谢谢大家！
借用毛不易的这首歌里的词，通过这样的讲座，实际上我就想给你我微不足道的所有的所有。希望什么？希望有一天我们尤其是我们的青少年朋友们，能和我一起慢慢地能够蹭到物理学的门口，对于还没有考上大学或研究生的青年朋友们，我祝愿你们接下来慢慢跟我一起蹭到某些著名大学物理系的门口！
那么，我们先看看物理学科的一些特性。1934年的时候，爱因斯坦突然认识到了一些物理学本身的特性：它分为构造性的学问和原理性的学问。那么像经典力学、相对论、规范场论，都是慢慢摸索、构建到一定程度的时候，人们才体会到有原理存在。它们是原理性的学问，但是这个原理是后来认识到的。而像电动力学和量子力学这种学问，它就不是原理性的学问，而是构造性的学问。
所以说量子力学这样一门构造性的学问，到现在我们还可以说，它没有被完成公理化。那么量子力学我可以给它一个形容，它是一个四面漏风的学问，但是热力学相当特殊，热力学是正儿巴经的原理性的学问，是从简单的一句话，从一个简单的不规则四边形就慢慢演绎建立起来的一套严密的这样一个理论体系。
我们看所谓的原理性的科学，像经典力学，它的原理就很清楚，叫“最少动作原理”，我们的物理教科书会翻译成“最小作用量原理”，说成大白话就是做事就要根据最省事的原理。相对论原理也简单，就是说你描述一个体系的物理规律，他和你作为一个描述者，作为观察者和你的运动状态没关系，和你所采用的数学坐标系的选择没关系，这是相对性原理。规范原理也特别简单，一句话叫物理理论的对称性要有冗余。
出门在外时候你家长都会叮嘱你在家可以省，出门钱要多带一点，就是说我们描述物理理论的对称性要有冗余，这就是规范场论的一个主要思想。
我们的热力学的原理是卡诺原理，卡诺原理就是特别特别直白的一句话——凡是不以做功或者凡是不以干活为目的的传热都叫浪费，就这一句话。但是从这样的一句话就能够演绎出一套非常严密的物理理论了。请大家重复这样一句话，凡是不以做功为目的的传热都是浪费。
我这个报告的原文件有320页，我自己试着讲了一遍，大概需要5个半小时。当然我们今天没有5个半小时，那么和往常一样，我的PPT将由我们科学院的博士生们配合着今天的讲稿发布到中科院物理所的公众号上。大家如果觉得那里面的内容还有可取之处的话，请大家随便用。我想我在做PPT的时候，我的目标群体就是我们的大学生以及中学和大学里教物理的同仁们，我希望这里的PPT能够在大家那里起到一个抛砖引玉的作用。
里面有一些推导我现场就不能讲了，里面还有完备的原始文献的出处，希望大家能用得着。我们之所以把PPT做的那么长，做的那么全面，也是借此想向社会表明我们的物理研究所，学物理、研究物理和教物理都是认真的。
在我的讲座里，有人会问你为什么老是强调历史的脉线？从历史的脉线角度对学物理、理解物理到底有多么重要，如果大家有能力有空的话，去看看马赫关于热学和力学的表述的话，你就能够理解这一点。
我们可以用通俗的一句话，你看在生物学里面有这样一句话：任何一个活细胞都携带着祖先数10亿年的经历。这样的一句话完全可以搬到我们的物理概念上，我们每一个数学的、物理的概念都包含着我们人类对自然思考的记忆。所以说对历史的学习会让你看到不同的地方，这也是一个人要成为科学家所必然要经历的思维历程。
所以说我们学习的时候，如果能知道一个学问的自然演化史，就能够明白那门学问的逻辑结构，还能学到一些研究方法和教训。你就再也不会去背，更不会去做什么选择题。最后你甚至要学会问问题，以及自己回答问题，而不是在给别人给出来的、可能根本就没有正确答案的问题里面去做选择题。
就热力学而言，热力学还有一个特别重要的地方是它的发展过程中包含着很多错误，那些错误反而是弥足珍贵的。
第二就是有人批评说你的物理课里面为什么总是满页跑洋文？我给大家强调几点，首先，这样做是为了强调知识的原始表达，因为我的引用或者翻译他可能在理解有错误，所以说要有原始表达。第二是为了给我们的尤其是给我的老师同仁们提供最原始文献。第三，也是表明我这个人确实研究过这些原始文献，不是我凭空瞎说的。那么第四点，我也就承认了，就是显摆，就是为了掩饰我自己不懂的尴尬。
但是我想说一句，对一个事物的理解，常常是在这个事物不存在的空间里面，我们能够获得对这个事物的一些让人意想不到的理解角度和理解深度。说一句我们的母语，如果你从其他语言的角度去理解我们的母语的话，你还真的就能够更多地理解我们的母语是如何的精妙和伟大。如果假设你不能够从其他语言角度看的话，你可能看不到那些优点。
所以说我们这次跨年演讲还跟往常一样，里面会充满着各种洋文。但这些洋文都会被缩小到几乎看不见的地步，会放在PPT里面，将来放到网上的时候，需要用的同志你再自己把它放大。
好，那么关于语言的事情，奥地利著名的哲学家维特根斯坦有特别有名的一句话：我们语言的边界（们）意味着我的世界的边界（们）。这个“们”德语原文是复数，而我们汉语里面对边界这种东西加“们”这种做法在语法上是不对的。可是当我们这个边界要带上复数带上“们”的时候，你突然弄明白人家谈论的是一个高维的空间的多侧面的边界，而不是简单的一个边界。假如你看不到复数的话，人家这句话里面的含义你就看不到了。
甚至在我们的历史上也不是不强调会其他种语言，比方说在冯梦龙的书里面就有一段，我们的谪仙李白用洋文回了渤海国的战书，并且当场给唐玄宗翻译成我们的唐音，即唐朝的汉语音。当时“对御座前讲唐音译出，宣读如流”，写天生我才必有用的李白同志是满口子流利外语的，大家要知道。
热力学是什么样的学问回到正题，我们的热力学。
先给大家聊聊热力学是什么样的学问，冷、热现象及冷热的定性与定量，特别要关注的一点就是热机与第一次工业革命，然后接下来是才是热力学理论的构建，以及用热力学理解过程和状态。热力学接着往下会发展，会发展到统计力学、发展到相对论，量子力学。最重要的是热力学也是理解我们生命非常重要的学问基础。
这个学问实在是太多了，热的学问博大精深，而我们这个讲座毕竟只能挂一漏万，我希望大家能够在以后根据我们这里提供的一些文献好好学习。
这样的一个视频不能播放，怕侵权，非常可惜。说的就是一个电影里面，骑兵面对着对面的马克沁机枪。本来刚才骑兵冲锋显得还非常潇洒，非常帅，但是当对面的马克沁机枪响了的时候，骑兵脸上就被人家打出了怀疑人生的表情，这就是我们人类历史上非常重要的阶段。当热机取代了马力，热兵器也终结了骑兵的时代。所以说热力学联系着我们人类的第一次工业革命，热力学热机的应用，它是我们人类农业社会和工业社会的分水岭。
我们都知道，中国是一个文明古国，也是一个古老的农业国，但是在1949年，我们古老的农业国迎来了新生，非常幸运的是中华人民共和国的那些伟大缔造者们在中华人民共和国成立初期就为中国选择了走工业化道路的发展方向。大家可以看看这是以前，我们中国的劳动场面。你可以想象面对这样的一个现实的国家，所谓的走工业化道路，看着好像有一点天方夜谭，但是大家一定要理解方向的选择正确到底有多么重要。所谓的念念不忘必有回响。
就是在这样的农业古国的土地上，经过70年的努力，你们看到今天的中国是这样子的。所以说我觉得真的在这个时刻，尤其是我们的青少年们，当你们出生的时候，中国就处于这样的一个时代。而想到70年前我们的先辈们是这个样子顶着冰天雪地，用自己的血肉之躯去抵抗着世界上最强大、最工业化武装起来的敌人军队的时候，你就能够明白先辈们的远见卓识。比较这几张图，特别是这2张图和这4张图，特别让人感慨。
热力学是一门怎样的学问？就像刚才主持人提的，热力学首先来自于感觉。王竹溪教授说得很清楚，追求热与冷现象的本质的企图可能是人类最初对自然界法则的追求之一。这里面热力学的“力”，我请大家一定要记住，这个“力”或者“力学”是一个完全错误的翻译，它指的是“Mechanical”这个词，这个词本身对应的字是“Phenomenological”，是所谓唯象的。
热力学到底是一个什么样的学问？
我们看看爱因斯坦对他的推崇，爱因斯坦说：热力学是唯一的关切普适性内容的物理理论。即它关心这个世界上存在的所有的物理过程，其基本概念在应用框架内绝不会被推翻，这是爱因斯坦对热力学的评价。
甚至有这样的一句，类似段子，我们经常有人会说我创建了一个伟大的理论，那么如果你创建的伟大理论和相对论有矛盾，有可能相对论错了；如果你创建的理论和量子力学有矛盾，有可能量子力学错了；但是如果你的理论和热力学有矛盾，你洗洗睡肯定是你错了。
苏联的热力学教育学派的巴扎罗夫教授也对热力学有高度评价，告诉我们大家：在热力学发展过程中出现了许多理解的困难和矛盾。我们科学中没有其他任何领域像热力学那样，它的建立和运用中产生过那么多的错误论断。但是这些错误对于我们学会如何思考物理学、思考自然、思考如何建立理论，反而是非常有价值的。
提出光子概念的路易斯在1923年说热力学是达到科学前沿最安全可靠的高速路之一。
那么热力学可以从两个方面来学习，一个方面就是关于热与热机的工作。就是你们家如果有车的话或有三蹦子的话，你好好看看热机，这是它的一个方面，是非常实用的方面。它的另外一个侧面就是关于平衡态宏观系统的科学。最后要把公式写成这样的一个东西，就是Q和dQ的外微分等于0。简单的这一个等式，大家可以想象里面包含着多少学识内容，这是热力学的两个方面。所以说热力学跟别的地方都不是太一样，实用地影响了我们的生活。
理论方面的这样一个公式表达式，也不是一般人能了解的理解的。
此外我们还要认识到热力学首先是一门几何学。在克拉贝隆、吉布斯和庞加莱等人对热力学的论述里面，都会强调它的几何。热力学还是一门经济学。对建立热力学作出重大贡献的布莱克、焦耳、卡诺和克拉贝隆这些人，他们考虑热的理论的时候，从来都是为了省钱、或者为了省力、或者为了怎么干出更多的活，这些都是经济学的考虑。
其中作出重大贡献的有4个人，家里都是酿酒的大富商，所以说他们对热力学特别关注。热力学的建立还是一场逻辑推理的大战，尤其体现在德国人克劳修斯和希腊人卡拉特奥多里的理论里面。
热力学它的真义是什么呢？真义是由“用热来干活”所引发的一个学问。但是热力学和其他的学问特别不一样。特殊的地方在哪儿呢？
在热力学里面的变量，一对变量它是这么组织的：你看T叫温度，S叫熵，它们俩乘积的量纲是能量；这是P叫压力，V叫体积，它们俩乘积的量纲也是能量量纲；表面张力σ和表面积A也是如此……而在我们的其他力学里面，经典力学、量子力学等，力学变量的乘积是作用量量纲。只有热力学里面，一对变量的乘积的量纲是能量，这是非常独特的。
热力学的发展史是一个非常完备的发展史。
先从我们的感觉，即从冷冷热热开始，然后我们利用热机去干活，所以就涉及到工具、机械、工程，然后有实验研究和理论的构造，然后我们有了理论，然后就把科学运用到化学、材料学、生命，然后我们发展到一定程度的时候。我们的理论本身也够复杂的时候，我们要对它进行公理化，要进行纯数学的表述，然后我们还把学问在理论角度继续发展，走向了统计力学和量子力学。所以说大家看看从理解物理学的角度来说，没有比热力学还更全面的。
你可以用它去造机械，你可以用它去设计暖气片，你也可以用它去做高深的物理。
热力学的重要性以及不容易理解性在科学史上造成了这样一个局面：上世纪40年代的时候，有一帮子对热力学不了解的人，为了去教原子物理和量子力学，而不知道热力学才是原子物理和量子力学的一个重要的来源，瞎编了一套量子力学的历史，充斥在英文的一些文献里面。而我们中国人也不分青红皂白，就把它引到了中国的教科书里面，极大地误导了我们的物理学的教学，其重要的原因就是对这些热力学不理解。
大家都知道这几个人像普朗克、爱因斯坦、玻恩、冯·诺依曼，这些都是我们的少年尤其是读科普的少年们耳熟能详的所谓的量子力学的奠基人。我请大家记住这些人都是热力学的大家，热力学是在他们手里，才到了更高的层次的。所以说热力学是一个什么样的学问，它是一个源于、关于和忠于物质系统和过程的一个抽象的理论。热力学确实难，难到一些大神级的教授们都不太敢碰。
比方说大神朗道的十卷理论物理，它就没有明确的热力学这一门课，而是在这本统计物理里面有部分的热力学。
在被问及为什么不讲讲热力学的时候，德国著名的物理学大师索末菲有说过这样一段话，这个是我在当初学校的机械系的门上看到的：热力学是一门很有趣的课，你学第一遍的时候，你感觉你啥都不懂。学第一遍的时候你感觉你啥都不懂。所以今天如果哪位同学是第一次听热力学的话，你什么都不懂就对了。
听第一遍的时候你觉得啥都不懂，但是也得考试对不对？说于是你得学第二遍，你学第二遍时你觉得你好像懂了一些了，大体上懂了，但是还有一些不懂，你就去学第三遍。终于，你发现你又不懂了，但是这个时候你已经能够接受你是学不懂热力学了。这个有点挺吓唬人，但其实没那么可怕，热力学虽然博大精深，不是那么好理解，但是他是能够学会的。
之所以我们大家觉得难，实际上有这样一个问题：我们大家想想这句话是不是有道理，你读懂这本书的奥秘也许不在这本书里面，但是你先读完这本书，才能知道下次到哪去追求知识。