热与冷的对象与环境

当我们拿着一块冰，说它冰冷彻骨之时，实际上已经不自觉地把这块冰当作了我们所讨论的对象。对于这块特定的冰，它有一定的外观形状，一定的体积和重量，如果说得更确切一些，它是由大量的水分子微粒组成的，在空间内由若干宏观的几何界面限制在一定的范围之内，像这块冰这样，有了一定的已知的宏观的约束与限制，还是由大量的微观粒子组成，这种形式的我们所描述的对象，热学中便称为体系，或者热力学体系。值得注意的是，组成热力学体系的虽然可以是原子、分子、离子乃至电子、光子以及其它粒子等等，但必须是大量的，且在一定的可以描述的宏观界面约束之内。少数几个粒子不能构成一个热力学的体系，几个水分子不能被称之为冰冷的冰块，因为这为数极少的粒子，我们已经无从谈起它的冷与热，无法用热力学性质去描绘它们，因而它们也就超出了热力的范畴，是非热力学体系。只有当一块冰，哪怕是很小的一块冰，但我们只取那其中的极小的部分，那一小部分仍能表达出冰的热力学性质，我们才说它达到了热力极限条件，这块冰才能称为一个热力学体系。在我们宏观的日常生活之中，各种冷与热的对象均具有 1023 数量级的粒子数，体积线度也达到了厘米乃至米。比原子分子本身的尺度大得多，均是满足热力学条件的，因而均可称为热力学体系。

冷与热的物体，作为我们所描述的对象，一般是我们所不会忽视的。不过我们往往容易忽视所描述体系所处的周围环境。正如在力学中施力物对于受力物的研究是极为重要、必不可少的。热学中的环境对于体系也是至关重要，尤其是“热源”这个特殊环境，体系与环境之间总有特定的相互作用，比如环境规定了体系的宏观约束如界面、体积等，环境还可能与体系进行物质和能量的交换，从体系中吸走热量，或者给体系增加能量，从体系中分走一部分物质，或者增加体系中的物质等等。按照相互作用的不同，体系可分为三种类型：

开放体系。体系与环境的边界可以进行物质和能量的交换，特别是物质交换。
封闭体系。体系与环境的边界有效隔离，虽然可以传递能量，但不可以交换物质。
孤立体系。体系与环境的边界完全隔离，既不可以交换物质，也不可以交换能量，即体系与环境之间没有任何相互作用。实际上这只是一种理想

化体系，因为任何体系与环境之间总是有相互作用的，象在地球上，任何一个体系都免不了受地球这个大环境的重力场作用，只是我们在研究体系的某些性质时，把与这种性质相关性不大的与环境相互作用可以忽略不计，从而抽象出理想化的孤立体系来。

体系的各部分之间，体系与环境之间不停地存在着复杂的相互作用，每个时刻的体系的相关性质，都可以用某些量参数来表达，这些参数便是这个时刻下特定状态的状态参数。一个体系，当在一定的情况下，它的若干宏观性质都不再随时间的变化而变化时，即它的状态参数不再因时间而不停地变化时，我们说这个体系达到了平衡，处于一种平衡态，平衡态的状态参数是很有实际意义的，它表现的性质往往是我们研究的对象，如一块冰的体积、热与冷、形状等等。这里之所以要强调它的若干的宏观性质而不是所有性质，是因为处于平衡态的体系内部仍处在运动变化的过程中，微观性质可能随时间的不同而不同，因而这种宏观上的平衡态，只是一种动态平衡。