力学常追踪整个物体的位置和速度，热学则追踪物体内部大量粒子的运动。我们先从能观察到的温度出发，再用微观模型理解内能，最后讨论能量如何在物体之间传递。
1. Introduction to thermodynamics
Thermodynamics 热力学研究温度、内能和能量传递。先选择 system 系统和边界，边界外为环境。例如研究杯中的水，杯壁和空气可以作为环境；若研究水与杯子一起，就需要重新划边界。
宏观上能测量温度、压力和体积，微观上用粒子的运动与相互作用解释它们。固体粒子围绕相对固定的位置振动，液体粒子保持相近距离但可移动，气体粒子通常相距很远、不断运动。
Heat 热传递是由温度差引起的能量转移，记作 \(Q\)，单位焦耳。约定能量因热传递进入系统时 \(Q>0\)、离开时 \(Q<0\)。物体拥有内能，不能说它“储存热量”；热和功描述的是转移过程。首先需要知道温度差意味着什么。
2. Temperature
Temperature 温度 \(T\) 描述热状态，并决定自发热传递的方向：接触后净能量从高温处传向低温处，直到达到 thermal equilibrium 热平衡。热平衡没有净热传递，不表示粒子停止运动。
Zeroth law of thermodynamics 热力学第零定律说，如果两个系统分别与第三个系统热平衡，它们彼此也热平衡。这使温度计可以比较不同物体的热状态。
\[\begin{gathered} T(\mathrm K)=\theta({}^\circ\mathrm C)+273.15, \\ \Delta T(\mathrm K)=\Delta\theta({}^\circ\mathrm C). \end{gathered}\]
绝对温度用 kelvin，\(\mathrm K\)，不加度号。温差用摄氏或开尔文具有相同数值，但温度比值、气体状态方程和辐射定律需要绝对温度。温度不是总能量的大小：一小杯高温水的内能不一定大于一大盆低温水。接下来说明内能还取决于什么。
3. Internal energy
Internal energy 内能 \(U\) 是系统内部粒子的微观动能与相互作用势能之和，不包含整体质心运动的动能。
\[U=K_{\mathrm{micro}}+U_{\mathrm{interaction}}.\]
温度升高常意味着粒子平均动能增加，但内能还取决于粒子数、物质结构和状态。相变时，吸收的能量可以改变粒子间的排列与相互作用，温度不一定升高。因此不能把内能等同于温度。
单原子理想气体忽略粒子间势能，只保留三个方向的平动动能，得到 \(U=\tfrac32Nk_BT=\tfrac32nRT\)，下一课会解释这个关系。内能是状态量，热和功不是；同一内能变化可以通过不同过程实现。先看看温度变化与热传递量的实验关系。
4. Specific heat
同一物质升高相同温度，质量越大，通常需要转入更多能量；同一质量升高更多温度，也需要更多能量。在没有相变、比热近似不变且所讨论条件已确定时，
\[Q=mc\Delta T.\]
Specific heat 比热容 \(c\) 表示单位质量升高单位温度所需的能量，单位 \(\mathrm{J/(kg\,K)}\)；整个物体的 heat capacity 热容 \(C=mc\)，单位 \(\mathrm{J/K}\)。两者不能混用。气体还要区分恒压和恒容条件，因为膨胀做功会改变所需热传递量。
量热过程中若系统与外界的能量交换可忽略，且没有其他显著能量转移，则 \(\sum Q_i=0\)。各物体都用 \(Q_i=m_ic_i(T_f-T_i)\)，热物体的 \(Q\) 为负、冷物体为正。容器也可能吸能，不能只因它“不参与混合”就忽略。
相变期间用 \(Q=mL\)，其中 \(L\) 是比潜热；有温变和相变时应分别记账。比热回答改变温度需要多少能量，下一部分回答能量转移得多快。
5. Thermal conductivity
Conduction 热传导通过粒子相互作用传能，convection 对流通过流体整体运动传能，radiation 热辐射通过电磁波传能，可以在真空中发生。它们可以同时存在。
稳态平板传导模型中，材料均匀、侧面损失可忽略，两面温度保持 \(T_H>T_C\)，厚度为 \(L\)、横截面积为 \(A\)，则
\[\frac{|Q|}{\Delta t}=\frac{kA(T_H-T_C)}{L}.\]
Thermal conductivity 热导率 \(k\) 的单位是 \(\mathrm{W/(m\,K)}\)。面积更大、温差更大、板更薄，传能更快。热阻 \(R_{\mathrm{th}}=L/(kA)\) 可以把关系写成传能速率 \(\Delta T/R_{\mathrm{th}}\)；连续串接、无侧面损失的各层热阻相加。
同温的金属和木头触感不同，主要是它们与手交换能量的速率不同，不是金属一定温度更低。宏观温度与传能已经建立，下一课用气体粒子的运动解释压力和温度。