热物理学的方法

热物理学研究热运动的规律及其对系统的宏观性质的影响以及热运动与其他运动形式之间的转化规律。

物理专业的第一门专业基础课是力学。力学研究单个粒子在力的作用下运动的规律，也研究多个粒子的相互作用及运动规律。但是，在力学中，所谓的“多个粒子”充其量就是一个由若干个粒子组成的“多粒子系统”，在力学领域更多地被称为“质点组”或“质点系”。力学中的“质点组”其实只是由为数不多的粒子组成。力学也会研究由大量粒子组成的系统，但是，这些“大量粒子”有确定的、规则的组织结构，比如粒子之间的间隔固定不变的刚体，波动现象中大量粒子的有序运动等。因此可以认为，力学研究粒子的有规则的，即有序的运动模式。

当系统由大量粒子组成时，经常还会呈现出另一种运动模式：无规则的，即无序的运动模式。

我们知道，一个宏观系统由大量微观粒子组成，这些微观粒子在永不停息地作无规则运动，这种运动被称为热运动。热物理学研究热运动的规律及其对系统的宏观性质的影响以及热运动与其他运动形式之间的转化规律。有两个理论对热运动的规律作出了深入的研究：热力学和统计物理学。

热力学方法以物质的宏观性质和实验规律为基础，通过逻辑推理和数学演绎的方式得出宏观系统的各种宏观性质之间的关系和宏观物理过程的各种论断。在热学这门课程中，我们将详细地讨论各种宏观物理过程的实验规律以及系统的各种宏观性质之间的关联，这些讨论为在热力学这门课程中进行逻辑推理和数学演绎奠定基础。

在建立热力学理论的同时，人们还从微观的角度研究系统的性质，这个领域被称为分子动理论(kinetic theory of molecules)。它的研究方法和研究成果成为了后来发展起来的统计物理学的基础。在热学这门课程中，我们也将对这个理论做一些入门性的探讨，以此体验统计物理学方法的要领。

关于“分子动理论”这个名称，在 20 世纪 80 年代之前一直被翻译成“分子运动论”，这个译法从该名称的英文名字的第一个英文单词就可以理解。不过，这个理论更着重的是微观粒子的动力学过程，因此，把这个英文单词理解成动力学更为贴切。于是，这个理论的一个更贴切的译法应该是“分子动力学理论”。然而，20 世纪 80 年代之后的教材却把这个理论改称为“分子动理论”，这个“动”字大概就是“动力学”一词的简称吧。遗憾的是，把这个理论的译名改成现在这个样子有点词不达意，仅从中文字面上看，“分子动理论”中的“动”字既反映不出“运动学”的意思，也品味不出“动力学”的意味。

热物理学的另一种研究方法是，从“宏观系统由大量微观粒子组成”这一事实出发，用统计平均法研究热运动的规律，相应的学科被称为统计物理学。统计物理学方法直接从系统的微观层级上的运动规律出发，更深刻地揭示了热运动的本质，适用的范围更广。这种方法将会在理论物理的相应课程中讨论。