1714年，華倫海特改良水銀溫度計，定出華氏溫標，建立了溫度測量的一個共同的標準，使熱學走上了實驗科學的道路。經過許多科學家兩百年的努力，到1912年，能斯脫提出熱力學第三定律後，人們對熱的本質才有了正確的認識，並逐步建立起熱學的科學理論。

        歷史上對熱的認識，出現過兩種對立的觀點。18世紀出現過熱質說，把熱看成是一種不生不滅的流質，一個物體含有的熱質多，就具有較高的溫度。與此相對立的是把熱看成物質的一種運動的形式的觀點，俄國科學家羅蒙諾索夫指出熱是分子運動的表現。

        針對熱質說不能解釋摩擦生熱的困難，許多科學家進行了各種摩擦生熱的實驗，特別是朗福德的實驗，他用鈍鑽頭鑽炮筒，因鑽頭與炮筒內壁摩擦，在幾乎沒產生碎屑的情況下使水沸騰；1840年以後，焦耳做了一系列的實驗，證明熱是同大量分子的無規則運動相聯繫的。

        焦耳的實驗以精確的數據證實了邁爾熱功當量概念的正確性，使人們擯棄了熱質說，並為能量守恆定律奠定了實驗基礎。與此同時，熱學的兩類實驗技術——測溫術和量熱術也得到了發展。

        熱學主要研究熱現象及其規律，它有兩種不同描述方法——熱力學和統計物理。熱力學是其宏觀理論，是實驗規律。統計物理學是其微觀描述方法，它通過物理簡化模型，運用統計方法找出微觀量與宏觀量之間的關係。

　

　

        在 1900年歐洲物理年會上，英國物理學家開爾文發表過一段非常著名的講話，其中他不僅講道「19世紀已將物理學大廈全部建成，今後物理學家的任務就是修飾完善這座大廈了」，而且又講道「在物理學的天空中幾乎一片晴朗，只存在兩朵烏雲。」他所指的兩朵烏雲其實就是邁克爾遜—莫雷測量「以太風」實驗和測量黑體輻射實驗中用現有的經典物理無法解釋。

後來對「以太」的測量的研究和愛因斯坦狹義相對論的建立，揭示了經典牛頓時空觀的嚴重缺陷；而對黑體輻射能譜分佈規律的研究及對熱容量的研究，揭示了經典統計物理學理論的重大缺陷，發現了微觀運動的新特性。1900年普朗克提出了能量量子化的假設，用這種假設成功地揭示了黑體輻射問題。與量子力學的有機結合使經典統計物理學發展成為量子統計物理學。二十世紀五十年代以後，非平衡態熱力學和統計物理學得到迅速發展，其代表人物是比利時物理學家普裡高金。

　

　

        熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規律。

        熱力學是總結物質的宏觀現象而得到的熱學理論，不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。

        熱力學三定律是熱力學的基本理論。熱力學第一定律反映了能量守恆和轉換時應該遵從的關係，它引進了系統的態函數——內能。熱力學第一定律也可以表述為：第一類永動機是不可能造成的。

        熱學中一個重要的基本現象是趨向平衡態，這是一個不可逆過程。例如使溫度不同的兩個物體接觸，最後到達平衡態，兩物體便有相同的溫度。但其逆過程，即具有相同溫度的兩個物體，不會自行回到溫度不同的狀態。

        這說明，不可逆過程的初態和終態間，存在著某種物理性質上的差異，終態比初態具有某種優勢。1854年克勞修斯引進一個函數來描述這兩個狀態的差別，1865年他給此函數定名為熵。

        1850年，克勞修斯在總結了這類現象後指出：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，這就是熱力學第二定律的克氏表述。幾乎同時，開爾文以不同的方式表述了熱力學第二定律的內容。

        用熵的概念來表述熱力學第二定律就是：在封閉系統中，熱現象宏觀過程總是向著熵增加的方向進行，當熵到達最大值時，系統到達平衡態。第二定律的數學表述是對過程方向性的簡明表述。

        1912年能斯脫提出一個關於低溫現象的定律：用任何方法都不能使系統到達絕對零度。此定律稱為熱力學第三定律。

熱力學的這些基本定律是以大量實驗事實為根據建立起來的，在此基礎上，又引進了三個基本狀態函數：溫度、內能、熵，共同構成了一個完整的熱力學理論體系。此後，為了在各種不同條件下討論系統狀態的熱力學特性，又引進了一些輔助的狀態函數，如焓、亥姆霍茲函數(自由能)、吉布斯函數等。這會帶來運算上的方便，並增加對熱力學狀態某些特性的瞭解。

        從熱力學的基本定律出發，應用這些狀態函數，利用數學推演得到系統平衡態各種特性的相互聯繫，是熱力學方法的基本內容。

        熱力學理論是普遍性的理論，對一切物質都適用，這是它的優點，但它不能對某種特殊物質的具體性質作出推論。例如討論理想氣體時，需要給出理想氣體的狀態方程；討論電磁物質時，需要補充電磁物質的極化強度和場強的關係等。這樣才能從熱力學的一般關係中，得出某種特定物質的具體知識。

　

　

　

        包括蒸汽機、汽輪機、內燃機(汽油機、柴油機、煤氣機等)、熱氣機、燃氣輪機、噴氣發動機等。在工業、農業、交通、採礦、兵工等部門，內燃機的應用最為廣泛。船舶、機車、汽車、物料搬運機械、土方機械、坦克、排灌機械、小型發電裝置等無不以內燃機為動力。

        汽油機是以汽油為燃料，採用電點火，轉速一般在3000～6000轉/分，甚至高達每分鐘一萬轉。功率由幾百瓦至幾百千瓦。在農林方面廣泛用作採茶機、割草機、機鋤、噴藥機、割灌機、機鋸等的動力；在交通方面用作摩托車、汽車、小艇的動力。

        柴油機是以柴油為燃料，利用壓縮熱自燃，轉速一般在百餘轉至五、六千轉每分鐘，功率由幾千瓦至數萬千瓦。廣泛用作汽車、拖拉機、坦克、船舶、軍艦、機車、發電機組、物料搬運機械、土方機械等的動力。

        二十世紀60年代以來，由於世界性的石油危機，以及柴油機具有較高的熱效率，因此應用範圍也日益擴大。一些過去採用汽油機的領域，如小轎車、輕型卡車等採用柴油機作為動力的日漸增多。

        蒸汽機是把蒸汽中的熱能轉化為機械能的熱力裝置。由於工作效率過低，除在少數國家仍用於機車外，已基本被淘汰。汽輪機是廣泛用於大型發電機組和大型船舶的動力裝置。

熱氣機也稱斯特林發動機，是以空氣、氫和氦等作為工質、按回熱閉式熱力循環，進行週期性的壓縮和膨脹而作功的熱力發動機。熱氣機是外燃機，可以採用多種燃料，同時還具有噪聲低、振動小和排污較少等優點，主要缺點是散熱器大、密封困難和成本較高。

        燃氣輪機是以燃料燃燒產生的燃氣直接推動渦輪作功的裝置。轉速可高達數萬轉每分鐘，效率也較高。燃氣輪機分為開式循環和閉式循環兩種，多用作發電機組船舶、機車和飛機的動力。

        從外界吸入空氣作為工質，以空氣中所含的氧作為氧化劑的噴氣發動機稱為空氣噴氣發動機。它又可分為無壓氣機空氣噴氣發動機和有壓氣機空氣噴氣發動機兩種。現代航空上採用最廣的燃氣輪噴氣式發動機就屬於後一種。

        燃料和氧化劑都由發動機或飛行器本身攜帶的噴氣發動機，稱為火箭噴氣發動機，或簡稱火箭發動機。按其所用燃料分固體燃料火箭發動機和液體燃料火箭發動機兩種，它們主要用作兵器和航天飛機的動力。