更新时间：2023-11-17 16:49
热力学（thermodynamics）是物理学的一个重要分支，它是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科。热力学研究系统宏观性质变化之间的关系；研究在各种变化过程中所发生的能量效应；研究一定条件下某种过程变化的方向和限度等问题。热力学的理论基础主要是热力学的四个定律
热力学的起源可以追潮到古希腊对热的本质的争论，其最初研究是为了提高早期蒸汽机的效率，后被扩展应用到化学反应的研究中。热力学作为科学定量研究始于17世纪末。发展历程可分为四个阶段：第一阶段，研究停留在实验与观察，蒸汽机的出现引发研究与争论；第二阶段，建立了热力学第一定律和第二定律，形成基础理论框架；第三阶段，路德维希·玻尔兹曼提出统计热力学，发展非平衡态统计理论；第四阶段，非平衡态理论与量子理论结合，形成现代热物理学体系。
热力学在化学反应、制冷系统、内燃机改进和材料制作等领域的应用非常广泛。通过计算吉布斯函数，可以判断化学反应的进行方向；利用热力学原理可以改进内燃机的效率；制冷系统利用吸热现象来实现制冷；材料制作中的各种转变都由热力学条件所决定。
人类很早就对热现象有所认识，有所应用，但将热力学作为一门科学并进行定量研究是17世纪末才开始的。热力学发展史基本上就是热力学与统计力学的发展史，大约可分成四个阶段。
17世纪末到19世纪中叶，此时期累积了大量的实验与观察结果，并制造出了蒸汽机，对于热的本质展开了研究与争论，但是热力学的研究这时还停留在热力学现象的描述上，并未引进任何的数学描述。
18世纪初，正是资本主义发展的初期，社会生产已有很大的发展，生产中遇到的热现象增多了，因而提供了不少的关于热现象的知识。当时生产上需要动力，因而产生了利用热来获得机械功的企图，这样一来，也就开始了对热现象进行比较广泛的研究。1714年，华伦海特（Garbriel Daniel Fahrenheit）改良了水银温度计并制定了华氏温标，1742年，瑞典天文学家摄尔萨斯（Anders Celsius）制定了摄氏度，这就使人们能够对热进行定量的研究，热学的研究从此走上实验科学的道路。
到18世纪中期，瓦特制成了蒸汽机，人们多年来想利用热来获得机械功的愿望实现了。随着蒸汽机在生产上被广泛地利用，提高蒸汽机的效率便成了一个迫切的问题。这种情况不仅使得有关蒸汽机的技术问题的研究加强了，而且促使人们对热的本质进行深入的研究。
1760年，英国物理学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）把温度和热量从概念上区分开来。人们根据布莱克的观点，引进了热量单位：卡（全称卡路里），表示一克水升高摄氏一度所吸收的热量。与此同时，科学家们在对热本质的探索中，仍然存在着“热质说”和“热之运动说”两种对立的见解，但流行的是热质说。
1807年，英国物理学家托马斯·扬（Thomas Young）在机械运动的范围内提出了“能量”的概念，它的意思是指作功的本领。这个新概念对于澄清当时混淆着的“力”的意义是有作用的，但在当时未得到广泛的承认和运用。
十九世纪二十年代，法国军事工程师萨迪·卡诺通过对热机的研究发现，热机必须工作于两个热源之间：一个高温热源供给热量，一个低温热源吸收热量。只有这样，热机才能有效地将从高温热源所供给的热量转化为有用的机械功。这一观察导致了卡诺定理的总结，并在1824年发表了《论火的动力及能够发展这种动力的机器》一文，被认为是热力学这门新兴科学的基础。
1842年，德国医生买厄（Julius Robert Mayer）发表一篇论文，提出能量守恒的学说，他认为热是一种能量，能够与机械能互相转化，并从空气的定压比热与定容比热之差算出了热和机械功的当量。在此前后，焦耳进行了许多实验来测定热功当量，焦耳所做的实验是多种多样的，但得到的结果都是一致的。焦耳的实验最后确立了能量守恒定律，即热力学第一定律。这个定律是自然现象最普遍的规律。焦耳的实验彻底粉碎了热质说，并为以后分子运动论的飞跃发展打下了基础。
1848年，开尔文（William Thomson）根据卡诺定理制定了绝对温标。
19世纪中到19世纪70年代末，此时期建立了热力学第一定律，第一定律和卡诺理论相结合产生了热力学第二定律，此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化，热力学的基础理论框架已初步形成。同时，以牛顿力学为基础的气体动理论也开始发展，但这个时期人们并不了解热力学与气体动理论之间的关系。
1850年和1851年，鲁道夫·克劳修斯和开尔文又对卡诺定理进行了分析，他们得出结论，要论证卡诺定理，必须根据一个新的原理，这个原理就是热力学第二定律。按照克劳修斯的说法，热力学第二定律是，热量不能自动从低温物体传到高温物体。热力学第一定律和第二定律组成一个系统完整的热力学。1865年，克劳修斯又为第二定律找到了一个新的态函数：。
在热力学发展的同时，即19世纪中期分子运动论也开始飞跃地发展，为了改进热机的设计，对热机的工作物质——气体的性质进行了广泛的研究，分子运动论便是围绕着气体性质的研究发展起来的。
19世纪70年代末到20世纪初，这个时期内路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）首先将热力学与分子动力学的理论结合，提出了系综理论，诞生了统计热力学。同时，他也提出了非平衡态统计理论的思想。
克劳修斯首先从分子运动论的观点导出了玻意耳定律。詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）最初应用统计概念研究分子的运动，得到了分子运动的速度分布定律。玻耳兹曼认识到统计概念有原则性的意义，他给出了热力学第二定律的统计解释。后来约西亚·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）进一步发展了麦克斯韦和玻耳兹曼的理论，建立了系综统计法，统计物理学至此也发展成为完整的理论了。
热力学理论不仅被广泛地应用在物理学各部门中，并且被广泛地应用在化学中。1906年，能斯脱根据低温下化学反应的许多实验事实总结出一个新定律，即热力学第三定律，这个定律说，绝对零度是不能达到的。这个定律的建立，使热力学理论更加完善。
20世纪30年代至现在的21世纪，主要是非平衡态理论的更进一步发展并与量子理论进行结合，形成了近现代热物理学丰富而庞大的理论体系，它的思想和研究方透到不同的科学领域。
系统与外界存在温度差时，系统状态也会改变，这种改变来源于热学平衡条件的破坏。此时系统与外界存在热学相互作用，其结果是有能量从高温物体传递给低温物体，这样传递的能量称为热量Q，这个传热过程称为热传导。一个无穷小的过程中传递的热量用dQ表示，dQ\u003e0表示系统向外界放热，dQ\u003c0表示系统从外界吸热。若两个系统之间除了热量交换外没有任何其他相互作用，则该过程为纯热量交换；纯热量交换的热量可以用任一系统的能量变化量来度量。在同时有其他作用量的情况下，即非纯热量交换时，热量的数值取决于过程的途径，可以大于或小于系统初终两态的能量变化量。
热量交换有明确的方向性，热量总是从高温物体传向低温物体。热量交换的驱动势是两个系统之间的温差，而不是两个系统之间的能量差。
能量是物体或物质系统做功的能力或做功的本领，是物质运动的量度。早在1649年，法国著名哲学家皮埃尔·伽桑狄提出“能量”一词，随后托马斯从势能、功、变形能等特殊运动能力的量度抽象出科学的能量概念，作为各种机械运动的共同量度。1851年，开尔文从热和机械运动能力之间内在的当量关系，抽象出机械能和热能的概念。能量也可以其他各种形式表现出来，诸如光、电以及化学能和核能等。实质上，一切物理现象都是由一种能量形式向另一种能量形式的转化。宇宙中的能量是守恒的，即能量从一种形式转化为另一种形式，例如从机械能转变为热能，但决不会消灭或凭空产生。这就是能量守恒定律。
能量根据物质内部分子的运动形态可分为有序能和无序能。一切宏观整体运动的能量和大量电子定向运动的电能都是有序能；而物质内部分子杂乱无章的热运动所具有的能量是无序能。有序能可以完全地、无条件地转换为无序能，但无序能要转化为有序能则需要外界条件，并且转化不可能完全进行。
微观上，物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫作物体的内能。物体的内能跟物体的温度和体积及物质的量都有关系。
宏观上，热力学系统一定存在一个内能函数E，该函数在初、末态之间的差值等于沿任意绝热过程外界对系统所做的功，即（E1是初态内能，E2是初态内能，A是外界对系统所做的功）。内能虽然是由过程量功来定义的，但内能本身不是过程量，它是系统状态的单值函数，对应系统的一个状态只有一个内能值，它与如何到达这个状态所经历的具体过程没有关系，当系统的初末态给定后，内能之差就有了确定值。
在热力学中，被研究的对象称为热力学系统（thermodynamic system），简称系统（system）。它是被某一封闭表面所包围的质量恒定的物质的集合或空间的一部分。系统之外的物体称为外界（surroundings）。系统和外界的分界面称为边界（boundary），边界在图上通常用虚线标出。根据具体问题，边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。
热力学系统与外界有三种相互作用：物质交换、功的交换和热的交换。
按照系统与外界有无物质交换，热力学系统可分为开口系统和闭口系统。
开口系统（open system）是指与外界有物质交换的热力学系统，如蒸汽动力装置中的汽轮机（如下图）。开口系统所占据的空间是固定的，因此开口系统也叫做控制容积或控制边界。此时的外界称为质源。
闭口系统（closed system）是指与外界没有物质交换的热力学系统，如蒸汽压缩制冷装置中的处于压缩过程的压缩机（如下图）。闭口系统中包含的物质是固定的，因此闭口系统也叫做控制质量。
按照系统与外界有无热量交换，热力学系统可分为非绝热系统和绝热系统。
非绝热系统（non-adiabatic system）是指与外界有热量交换的热力学系统，如蒸汽动力装置中的冷凝器。此时的外界称为热源（heat reservoirs）。实际的热力装置的运行至少需要两个热源。通常把温度高的热源称为高温热源：温度低的热源称为低温热源（或冷源）。一般认为热源的热量无限大，因此在与系统发生热量交换时热源的温度不会改变。
绝热系统（adiabatic system）是指与外界没有热量交换的热力学系统。事实上自然界不存在完全隔热的材料，因此绝热系统只是当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时的一种简化形式。如处于稳定运行工况的蒸汽动力装置，水蒸气流经汽轮机时，其散热量与传输给外界的功量相比可以忽略不计，因此处于稳定运行工况的汽轮机可视为绝热系统。
若热力学系统和外界间既无质量交换又无热量和功量交换，则称为孤立系统（isolated system）。孤立系统的一切相互作用都发生在系统内部。如果把所有发生相互作用的设备作为一个整体，并把这个整体取作研究对象，这个系统就是孤立系统。
一定的热力学系统，在一定的条件下具有一定的热力学性质，处于一定的宏观状态，称之为系统的热力学状态（thermodynamic state），简称状态。热力学研究的就是热力学系统的宏观状态及其变化的规律。
平衡态（equilibrium state）是指在不受外界影响（不做功、不传热）的条件下，系统所有可观测的热现象的宏观性质都不随时间的变化而变化的状态。首先，平衡态是指系统宏观性质不发生变化的状态。但从微观来看，分子仍在不停地做无规则运动，所以，应该把这种平衡状态称为热动平衡（thermal-dynamic equilibrium）状态。其次，由于自然界中的事物都是互相关联的，在实际中，不会有永远保持不变的系统。由此可见，平衡态是一个理想状态，它是在一定条件下对实际系统处于相对稳定或接近于相对稳定的概括和抽象。
系统内各处的热力学性质不均匀，或者系统的宏观性质随时间的变化而改变，这种状态称为非平衡态（ non-equilibrium state），例如，选一封闭的绝热汽缸内的气体为热力学系统，当活塞快速压缩缸内气体时，靠近活塞的气层内的分子密度首先增大，缸内气体分子密度不均匀，此时气体处于非平衡状态。当压缩停止，亦即外界不再向系统施加影响时，经过一段时间，缸内气体的密度将逐渐趋于平衡，直到各处密度均匀一致。系统达到热力学平衡态。
最简单的状态方程为理想气体状态方程。由大小如同几何点一样、相互之间不存在作用力的分子组成的气体，叫做理想气体。实际上理想气体是不存在的，不过在常温常压下，许多气体如Ar、N2和O2等，可以近似看作理想气体。根据理想气体模型，从实验和气体分子运动论都可以得到理想气体状态方程pVt=nRT或 pV=RT，式中：Vt为总体积；V为摩尔体积；T为热力学温度（开尔文）；n为摩尔；R为通用气体常数。
由于系统与外界之间的相互作用，同时还伴随着能量的交换，系统的状态一般随时间的变化发生变化，经历一系列中间状态，最后达到末态。从初态到末态包括全部中间状态构成了一特定的热力学过程（thermodynamic process），即状态演化的过程，简称过程。
热力学过程的发生，意味着系统平衡态的破坏，系统往往是由一个平衡态到平衡态破坏再达到新的另一个平衡态，如此反复演化下去．系统从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间，称为弛豫时间（relaxation 时间），这一过程称为弛豫过程（relaxation process），简称弛豫，或热弛豫。
如果热力学系统变化过程中的每一个时刻，系统的状态都无限接近于平衡态，则此过程定义为平衡过程（equilibrium process），或称准静态过程（quasi-static process）。实际的热力学系统变化过程中，系统的每一时刻都处于非平衡态．如膨胀和压缩过程中，系统内部的密度、压强不均匀；加热过程中温度不均匀，等等。所以，平衡过程是过程进行得无限缓慢的一种理想过程。在许多实际情况中，只要过程进行中每一步所需时间都比弛豫时间长，把这种过程近似作为平衡过程处理，就能在一定程度上和实际相符。
在热力学系统状态变化的过程中，若有一个（或多个）中间状态是非平衡态，则整个过程称为非平衡过程（non-equilibrium process）。这时，新的平衡即刻被破坏或者根本无平衡态出现，例如，活塞快速压缩缸内气体的过程就是非平衡过程，此时系统的弛豫时间与活塞运动时间同数量级。
一个系统演化时，由某一状态出发，经过某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来的状态，同时消除了系统对外界引起的一切影响），则原来的过程称为可逆过程（reversible process）；反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程（irreversible process）。可逆过程是一个非常苟刻的过程，一般来说，只有理想的无耗散准静态过程是可逆的而无耗散的准静态过程严格来说是不存在的，它是一个理想的过程，因而自然界发生的过程都是不可逆的。例如，固体之间的摩擦，材料的非弹性形变，流体的黏滞，介质的电阻，磁滞现象等都是一种耗散因素，与它们相联系的一切宏观过程，都是不可逆过程，此外，非平衡系统自发进行的过程也是不可逆的由可逆过程组成的热力学循环，称为可逆循环（reversible cycle），如果一循环由若干段过程组成，其中只要有一段不可逆，就是不可逆循环（irreversible cycle）。可逆循环的正循环和逆循环，在对应部分所做的功和吸收的热量，都等值而异号。
在对循环过程的效率进行研究时，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T1、T2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。如图下所示为一卡诺热机的循环过程，其中，1→2，3→4分别为等温膨胀、等温压缩过程，2→3，4→1分别为绝热膨胀、绝热压缩过程。
1→2：气缸和温度为T1的高温热源接触，使气体做等温膨胀，体积由V1增大到V2，在这一过程中，它从高温热源吸收的热量为。
2→3：将气缸从高温热源移开，使气体做绝热膨胀，体积变为V3，温度降到T2。
3→4：使气缸和温度为T2的低温热源接触，等温地压缩气体直到它的体积缩小到V4，在这一过程中，气体向低温热源放出的热量为。
4→1：将气缸从低温热源移开，沿绝热线压缩气体，直到它回复到起始状态1而完成一次循环。
当两个孤立的系统A和B彼此进行热接触时，在足够长的时间内整个系统A+B最终达到相互平衡的状态，称为A和B达到了热平衡。此时两个系统本身也各自处于平衡状态。当阻断两者之间的热接触并经过一段时间后重新让它们进行热接触，它们的状态仍然保持不变，即它们相互之间仍然处于热平衡的状态。热平衡有一个重要的特性，就是热平衡具有可传递性。这个特性可以从热平衡定律中看出来。1939年，英国物理学家拉尔夫·福勒（R.Fowler）在详细地研究了统计力学的平衡态理论和热力学之间的联系之后，在他的著作《统计热力学》中给出了一个基本实验定律，即热平衡定律：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，则它们彼此也处于热平衡。
尽管热平衡定律的提出是在热力学第一、第二定律建立完成之后，且此前温度的概念已被广泛使用，但从逻辑上讲，热平衡定律是热力学第一、第二定律的前提，因此把热平衡定律称为热力学第零定律，以凸显它重要的基础地位。热力学第零定律本质上表达了一种等量代换关系，可以用下图简单表示。
一般情况下，系统内能的改变是做功和热量传递的共同效果。假设系统在某一过程中从外界吸收的热量为Q，同时它对外界做的功为A，系统的内能由初态的E1变为末态的E2。根据能量转化与守恒定律有，即系统从外界吸收的热量一部分使系统的内能增加，另一部分用于系统对外界做功，这就是热力学第一定律。该定律是包括热现象在内的能量转化与守恒定律。
对于一个微小的状态变化过程，热力学第一定律的数学形式可写成，式中分别表示在该微小过程中系统所吸收的热量、内能的增量以及对外做的功。将上式对热力学循环积分，并利用，便得到循环过程热力学第一定律的表达式，即在循环过程中，系统对外界做的净功等于系统从外界吸收的净热量。
描述热力学体系发生的过程的方向可概括为热力学第二定律。
热力学第二定律有各种不同的表述方式，最具代表性的是开尔文表述和克劳修斯表述。
（1）开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量使之完全变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。开尔文表述表明了这样的热机不存在，任何热机的效率一定小于100％。
（2）克劳修斯表述：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。设有一个制冷机，不需要输入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。克劳修斯表述表明这样的理想制冷机是不存在的。
这两种说法都和过程的不可逆性联系在一起，前者揭示了功热转化过程自发进行的方向性，后者揭示了热传导过程的不可逆性。这两种说法是等效的，可以从一种说法出发证明另一种说法。
在对低温现象进行大量实验研究的基础上，人们提出又一个具有普遍意义的热力学定律，表述为：不可能用有限的步骤使系统的温度达到绝对零度。这就是热力学第三定律。1906年，瓦尔特·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。这就是热力学第三定律的表述。热力学第三定律不可能用实验直接证明，但是人们获得的极低温经验证实了热力学第三定律的正确性。绝对零度是热力学第三定律的主题，如同热力学第一、第二定律，它也是个限制性定律。
由于热力学在生产实践中的广泛应用和科学技术的发展，二十世纪以来，就相继地出现了许多热力学的分支，除了研究热机的工程热力学外，其他如在化学反应中，研究化学能与其他形式能量转化以及各种化学过程进行的条件和方向的化学热力学，在冶金、气象等领域中研究相变的相变热力学，以及研究低温技术和广泛低温现象的低温热力学等等。
经典热力学建立在热力学第一、第二定律基础上，是人类大量实践经验的总结，是自然界和人类各种活动中的普遍规律。因此，经典热力学所给出的结论、宏观性质间关联式的正确性具有普遍的意义。但经典热力学不研究物质结构，不考虑过程机理，只从宏观角度研究大量分子组成的系统达到平衡时所表现出的宏观性质。它只能以实验数据为基础，进行宏观性质的关联，从某些宏观性质推测另外一些宏观性质。例如，由p-V-T的实验数据或关联式，计算热力学能（内能）U、焓H、熵S、亥姆霍兹函数（Helmholtz function）A、吉布斯函数G等。
分子热力学从微观角度，将经典热力学、统计物理、量子力学及有限的实验数据结合起来，通过建立数学模型、拟合模型参数，对实际系统热力学性质进行计算与预测。然而，通常情况下分子热力学所建立的模型只是物质实际结构的近似描写，应用于复杂分子、高压下的气体或液体等系统中困难较大，还有一定的局限性。
统计热力学是热力学的分支学科。该学科深入到物质结构内部，用微观的观点研究物质，借助手物质的原子模型和量子力学，利用统计学和概率论将大量粒子的行为“平均化”，研究热力学的规律。它可从物质结构出发来解释和推断物质的宏观特性。
化学热力学（Chemical Thermodynamic）是热力学在化学领域中应用的一门学科。化学热力学的内容极其丰富，但作为化学热力学基础，主要解决化学反应中的两个基本问题：（1）化学反应中能量是如何转换的；（2）确定化学反应进行的方向及反应的最大限度（程度）。化学热力学虽然能够解决许多化学问题，但是也有一定的局限性。首先，在化学热力学研究的变量中不包括时间，所以，热力学不能确定化学反应的快慢。也就是说，化学热力学只能说明一个化学反应是否能自发进行，能进行到什么程度，但不能说明化学反应进行所需的时间长短。有关时间和速率等问题是由化学动力学所研究的。其次，化学热力学研究的对象是足够大量微粒的系统，即物质的宏观性质；对于物质的微观性质，即个别或少数原子、分子的行为，热力学无能为力。
在一定条件下，同一物质从一个相转变为另一个相，就称为相变。在热制造工艺中常见的相变主要有液相-固相（凝固、熔融）、固态相变（奥氏体转变、珠光体转变、马氏体相变、脱溶分解等）。相变热力学的基本内容为计算相变驱动力，以相变驱动力大小决定相变的倾向，有时还能判定相变机制，在能够估算临界相变驱动力（在临界温度时所需的相变驱动力）的条件下，还可求得相变的临界温度。
平衡热力学主要研究的是与外界不发生物质和能量交换的理想化的孤立系统。其成熟的理论对物理学、化学和自然科学的其它领域产生过并将继续产生重要的作用。但其突出的不足之处是它主要限于描述平衡态和可逆过程的系统。对于非平衡态，除了根据热力学第二定律指出孤立系统最终必然趋于平衡之外，没有给出更多的知识。
在自然界中发生的一切实际过程都是在非平衡态下进行的不可逆过程。例如，各种输运过程，诸如热传导、物质扩散、动电现象、电极过程以及实际进行的化学反应过程等。随着时间的推移，系统均不断地改变其状态，并且总是自发地从非平衡态趋向于平衡态。对这些实际发生的不可逆过程进行持续不断和深入的研究，促进了热力学从平衡态向非平衡态的发展。普里高京（Prigogine）、昂萨格（Onsager）对非平衡态热力学（或称为不可逆过程热力学）的确立和发展作出了重要贡献，从20世纪50年代开始形成了热力学的新领域，即非平衡态热力学（thermodynamics of no-equilibrium state）。普里高京由于对非平衡态热力学的杰出贡献而荣获1977年的诺贝尔化学奖。非平衡态热力学虽然在理论系统上还不够完善，但在一些领域中，如物质扩散、热传导、跨膜输运、动电效应、热电效应、电极过程、化学反应等领域中已获得初步应用，显示出它有广阔的发展和应用前景，已成为物理化学发展中一个新的研究领域。
用化学反应的吉布斯函数判断反应进行的方向。通过计算，若\u003c0，反应正向进行，\u003e0，反应逆向进行。应用热力学计算可预测某些化学反应能否自发进行。
电冰箱利用物态转化过程中的吸热现象来制冷。通电后，压缩机将低温气态制冷剂压缩成高压高温气态，经过冷凝器散热变成低温高压液体，再经过毛细管进入蒸发器。在蒸发器中液态制冷剂沸腾蒸发吸收热量，变成低压低温蒸气，再次被压缩机吸入循环制冷。
内燃机的实际工作循环是十分复杂的。为便于分析研究，一般先从经过抽象简化以后的理论循环开始，这是因为在理论循环中，除了热力学第二定律所指出的，不可避免地存在着排向冷源的热损失外，不存在其他任何损失，因此理论循环是实际循环热能利用程度的极限。研究理论循环，不仅可以确定和比较各种循环的理论热效率，明确提高效率的途径，而且还可判断实际工作循环的完善程度，以便不断地改进内燃机。
测量电池电动势时，必须使电池反应在热力学可逆条件下进行，即只限于有无限小的电流通过电池。因此应用电化学方法研究化学反应的热力学性质时，所设计的电池应尽量避免产生液体接界电势（在精确度不太高的测量中，常用“盐桥”来减少双液电池的液接电位）。为了使测量在接近热力学可逆条件下进行，应采用按补偿法原理设计的电压计，而不能用伏特计来直接测量。
材料中所发生的能引起组织、性能变化的各类转变是材料科学的重要内容，这些转变包括液态至固态的结晶、凝固，固态中的重结晶、热处理，以及形变金属加热的再结晶退火，这些转变的发生都由热力学条件所决定。热力学可以给出转变的方向、驱动力的大小以及转变速度的定性评价。以上分析说明了热力学在材料科学中的重要意义。