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一年四季最明显的是温度和物态变化，这对人们认识和理解冷热现象提供了天然的实验。随着人们对火的制取和利用，开始金属的冶炼、陶器和瓷器的烧制。从这些活动中人们开始了对热现象的研究，提高了对热能的利用。在人类历史上，有关热现象的知识和技术的应用，对社会发展起到了巨大的作用。
1 热胀冷缩
热胀冷缩现象很早就被人们观察到了，在远古时期，人类已经知道利用冷水浇火烧过的石头，再剥离石片，制作石器。到春秋战国时期，秦国的李冰父子主持建造了著名的都江堰工程。为了开凿山石，李冰知道，利用斧锤开凿的效率是很低的。为此，他想到了热胀现象的应用，这就是在岩石上堆放柴草，引燃烧石，而后用水浇石，于是岩石裂开缝隙，使锤击凿裂成为可能。东汉时，成都太守虞诩也曾用类似的办法于汉水西部的整修工程。史书上记道：“诩乃使人烧石，以水灌之，石皆坼裂，因镌去石。”（《后汉书·虞诩传》）后来的水利工程和采矿工程曾广泛采用此法，并被称作“烧石易凿法”或“烧爆法”（《物理小识》卷7）。
热胀冷缩的原理还被用于度量衡标准“原器”的制定上，原器是用铜制造的，用铜的理由是“铜为物之至精，不为燥、湿、寒、温变节，不为霜、露、风、雨改形”（《汉书·律历志》），从物理意义上讲，寒温之变化不会使之“变节”，即铜的热胀冷缩程度比铁要小，依此确定度量衡的“原器”，它应有很高的精确度。
元代陶宗仪注意到权贵们佩带的“辘轳剑”，这种剑柄为玉制。所以叫“辘轳”，是因为它由两块玉相套合而成，外形像一“吕”字，“环口中间似辘轳旋转，无分毫隙缝”。但是匠人如何将球形玉的轴塞进孔中呢？这是将带孔洞的球蒸煮后，再将轴塞进孔洞之中，陶宗仪作了实验加以验证，结果玉环确实“煮之胖胀”（《南村辍耕录》卷23）。
2 物态变化
水的三态变化与农业生产有很大的关系，这就是自然界中雨、雪、霜、露的气象现象。早在商代，人们已记载了有关阴晴雨雾的变化情况。到了周代，《诗经》中有“白露为霜”的诗句，说明他们已经注意到霜与露的区别。对于雨、雪和雾的形成，古人认识到，雨为“积水上腾”（《庄子》），“地气发，天不应，曰雾。”（《尔雅》）宋代的蔡卞说道：“水气之在天成雾，雾，云之类也。”（《毛诗名物解》）“盛阴之气，凝滞为雪”（《春秋说题辞》）。
汉代王充认为：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雾，寒则为雪，雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也。”（《论衡·说日》）说明雨雪霜皆与气温有关系。此外，他还进一步指出：“夫云出于丘山，降散则为雨矣。人见其上而坠，则谓之天雨水也。夏口则雨水，冬日天寒则雨凝而为雪，皆由云气发于丘山，不从天上降集于地，明矣。”（《论衡·感虚》）并且还指出：“寒不累时则霜不降，温不兼日则冰不释。”（同上）由此可见，王充不但对雨露霜雪有正确的认识，而且对温度变化与热能的积累也有所认识。
对于雨露霜雪的成因，人们也提出许多见解。例如西汉的董仲舒认为：“二气之初蒸也，若有若无，若实若虚，若方若圆。攒聚相合，其体稍重，故雨乘虚而坠。风多则合速，故雨大而疏；风少则合迟，故雨细而密。其寒月则雨凝而上，体尚轻微而因风相袭，故成雨焉。寒有高下，上暖下寒，则上合为大雨，下凝为冰，霰，霜是也。”董仲舒利用“气”的理论解释冰霰霜的形成，他把水比作阴气，阳光比作阳气，阳光照射水，使水蒸发为水蒸气，水汽在不同的条件下可以形成冰霰雪。
对于物态变化的观察，古代炼丹术上有着很好的研究。在炼丹过程中，这些方士有着严格的规程。在一定程度上讲，他们的严格操作保证了观察的精确性，提供了很好的研究结果，为化学和热学的发展积累了许多有用的知识。
《周易参同契》是世界上第一本关于炼丹术的专著，它成书在公元2～3世纪。书中记载了水银受热蒸发的实验，即“河上姹女，灵而最神，得火则飞，不见尘埃”。由于水银的性质很奇特，是团转流动的液体，受热后又极易挥发。因此，魏伯阳称它为“河上姹女”，要使它不易挥发（“将欲制之”），就要将它与硫磺（“黄芽”）化合生成黑色的硫化汞，再对它加热，使之升华，则变成红色的丹砂（硫化汞）原状。书中还对炼丹设施作了总结，这些炉与鼎的制作涉及到能否保证炼丹时保持温度，通风、受热均匀的问题。
《抱朴子》对炼丹方法有着较为详细的记录，这涉及到煅（长时间高温加热）、炼（干燥物质的加热）、炙（局部烘烤）、焙（焙化）、抽（蒸馏）、飞（升华）、伏（加热使药物变性）等。由于升华现象较为特殊，炼丹术士在设计实验器具时都要考虑到升华时的态变特点。
对于物态变化，除了上述的蒸发、凝结、冻结、升华等现象外，古人在生活中还注意到沸腾和蒸气凝结成水的现象。宋代蔡襄对泡茶时煮水的过程作了详细的描述。在水未沸腾时，因为无气泡产生，称作“盲眼”；水刚开时，水中气泡像“触眼”那么大；水温再高些，气泡像“鱼眼”那么大；最后达到水泡滚动跳跃起来（《茶录》上篇）。苏轼也曾写诗叙述煮水泡茶的情况。他写道：“蟹眼已过鱼眼生，飕飕欲作松风声”（《王桢农书，百谷谱集之十·茶》）。明代屠龙对沸腾时温度还分了等级，他认为：“始如鱼目微微有声，为一沸；缘边泉涌连珠，为二沸；奔涛溅沫，为三沸。”（《考盘余事》卷3 ）估计这三沸的温度范围是：一沸约75～80℃，二沸为85～90℃，三沸为100℃。
陆游曾注意到墨盒内墨水蒸发的现象，他写道：“复之以匣，数日墨色不干。经夜，即其气上下蒸濡，着于匣中，有如雨露。”（《老学庵笔记》卷8）“墨色蒸，上腾其墨，乃著盖上，久之， 盖上之墨复滴砚中”（同上）。陆游对墨水蒸发现象作了详尽的描述，同时也注意到，在封闭于砚匣内的情况下，蒸发的水汽形成过饱和蒸气，它们也极易凝聚成水珠。明代庄元臣对蒸发现象也作过描述。他说道：“置水于室，弗动弗易。久而水减寸焉。”（《叔苴子·内篇》卷1 ）这是在常温常压下水的蒸发现象。
湖北的武当山是一处著名的道教圣地， 它的主峰是天柱峰， 海拔1612m，有“一柱擎天”的美誉。在峰顶建有一座金光闪耀的大殿，因此，世人将天柱峰巅称为“金顶”。金顶上的大殿建于明代永乐年间，距今已有近600年的历史了。大殿高5.54m，宽4.4m，进深3.15m， 整个大殿为铜铸，表面有鎏金装饰。
金顶奇观之中最有名的是“祖师出汗”、“海马吐雾”和“雷火炼殿”三大奇景。
所谓“祖师”就是大殿内的“玄天金像”，即真武铜像，当天降大雨之前，真武神像就会像人一样，在闷热的天气中热得汗流浃背。所谓“海马”就是大殿屋顶上的海马铸像，当海马口中呼呼地吐着白雾，就预示着天帝将要派遣雷公电母和风伯雨师来金顶洗炼这座大殿。这时，在金顶上的道士就要撤到南天门。时间不长，倾盆大雨，雷电交加，巨大的火球在大殿周围滚动着，令人惊心动魄。雨过天晴，远望大殿，金光闪闪、灿烂辉煌，就像刚刚被洗过一样。这就是所谓“雷火炼殿”的壮观景象。
我们知道，在下雨之前，大殿内的空气中水蒸气含量较高。当大气压发生突变时，过多的水蒸气就会遇冷而凝结为小水珠。它们布满在物体的表面，而铜像表面的小水珠过多地聚集，就像是“祖师”出了很多的汗一样。本来在海拔1612m的山顶上，风是比较大的， 水珠很快就会挥发的。但是，由于大殿的各个铸件被铆合得十分严密，大殿内通风很差，因此，就形成了“祖师出汗”的奇观。人们还发现。尽管大殿外面大风呼啸，而大殿内的灯火苗却丝毫不摇；冬天下大雪，雪花飘到门口又被顶出来。
大殿顶上的“海马”铸像象征“天马行空”之意。海马的内部是空的并与大殿内部连通，雷雨之前，天气闷热，冷暖气流回旋剧烈。当日光照射在大殿表面，殿内的水气受热膨胀，便从海马口中吐出，在室外遇到较冷的空气，就会形成水雾，看上去就像吐雾一样。有时，室外的气流与海马喷出的气雾互相摩擦，还会产生咴咴的啸声。
由此可见，这“祖师出汗”和“海马吐雾”是一种普通的热现象。
3 测温术
温度是人们对冷暖的一种感觉，人们常常用寒、冷、热、凉、烫等词来说明冷热的程度，但准确地说，这是一种温差概念。这是以人自己的体温为标准，以感知测试对象与自己体温的温差作出的判断。因此，在某种意义上讲，人体就像一支温度计。
贾思勰指出，牧民做奶酪时要使温度“小暖于人体”；而做豆豉时应“令温如腋下为佳”。有意思的是，现代医家仍以腋下温度作为体温的标准。元代王桢也主张用体温测蚕室的室温（“以为体测”）。他认为：“自觉身寒，则蚕必寒，使添熟火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火。”（《农书》）宋代蔡襄记载在焙制茶叶时，亦“用火常如人体温”，“若火多则茶焦不可食”（《茶录》上篇）。
利用自然界物态的变化来测量天气的温度比起用体温估计要客观得多，刘安用水的融解和凝结判定气温，他写道：“见瓶中之水，而知天下之寒暑”（《淮南子·兵略训》）。
此外，古代工匠在冶炼和烧陶过程中，掌握了通过火焰颜色来判断温度，欲称“看火候”。战国时期的《考工记》最早记载了关于火候在冶炼中的应用，其中写道：“凡铸金之状，金（铜）与锡，黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”这显然是利用焰色来判断金属冶炼时的温度。一般来说，最初熔解时，金属中含有一些杂质，它们挥发时就显得“黑浊”；接着，熔点较低的锡被熔解，挥发时焰色呈“黄白”；温度再上升，铜被熔解并挥发，焰色呈“青白”。当达到炉火“纯青”时，才是开炉铸造的时候。
炼丹术士在炼丹过程中十分注意温度控制对炼丹的作用，也是通过观察“火候”来掌握温度的升高与降低的。此外，火候还包含物质成份的信息，例如，“消硝石”（硝酸钾）的焰色为“青紫”，氧化铜焰色为“似红金”，“硝汞”（汞与硫的合金）焰色为“青焰”等。
4 热传递
温度变化常常与热传递有关。王充曾指出：“近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”（《论衡·寒温》）这是讲距离远近是会影响热传递的，并且王充把这种现象与“气”相关联。
为防止热的损失，古代还发明了保温装置，最有名的是“伊阳古瓶”。关于它的功用和结构，南宋洪迈写道：“张虞卿者文定公齐贤裔孙，居西京伊阳县小水镇，得古瓶于土中，色甚黑，颇爱之。置书室养花，方冬极寒，一夕忘去水，意为冻裂，明日视之，凡他物有水者皆冻，独此瓶不然。异之，试之以汤，终日不冷。张或为客出郊，置瓶于箧，倾水渝茗，皆如新沸者。自是始知秘，惜后为醉仆触碎。视其中，与常陶器等，但夹底厚二寸。有鬼热火以燎，刻画甚精。无人能识其何时物也。”（《夷坚甲志》）这个瓶子是南宋时出土的文物，可能年代已很久远了，况且也没有考证出它的年代。它能够保温，作者已知其保温的结构是“夹底”，两层底间距是两寸，正是它防止了热传递，这差不多可以看作是最早的保温瓶了。
明代方以智也注意到热传递的问题。他指出：“冰在暑时以厚絮裹之，虽置日不化，惟见风始化。”（《物理小识》）用厚棉絮盖裹物体来保温，特别是冰，这是一种较为有效且简便的办法。
5 热学思想
热的本性问题曾在18世纪的西方科学界进行过热烈的讨论，热是物质还是运动，这两种观点在中国古代也有类似的认识。
先秦时期，人们提出“五行说”，把火作为构成万物的基本元素。墨家曾把燃烧现象看作是“火”元素离开“木”的过程，认为是包含在“木”中的元素。北齐的刘昼发展了这种说法，他在解释摩擦取火时说道：“金性包水，木性藏火，故炼金则水出，钻木而火生”（《刘子·崇学》）。摩擦取火只是把木中的“火”元素释放出来，这种观点类似18世纪时“燃素”的观点。
道家的著作《关尹子》中有一种观点，即“寒暑温凉之变，如瓦石之类，置之火即热，置之水即寒，呵之即温，吹之即凉，特因外物有来有去，而彼瓦石实无去来。”这就是说，瓦石有温度的升降，就像一种“外物”之来去。这种观点类似于18世纪时的“热质”观点。
热是一种运动的说法，在中国古代也有类似的说法。最早提出这种观点的是唐代的柳宗元。他在《天对》中提出“吁炎吹泠”的观点。柳宗元认为，元气缓慢地吹动时造成炎热的天气，元气迅疾地吹动时，则造成寒冷的天气。因此，天气的冷热与元气的运动快慢联系着。谭峭的《化书》中也有“动静相摩，所以生火也”的说法。这种说法很有影响，到清代，郑光祖也指出：“火因动而生，得木而燃。”（《一斑录》）与上面的说法不同（刘昼），郑光祖是用运动的观点解释钻木取火。这种说法类似西方伦福德伯爵的钻炮筒实验。
此外，关于冷热的认识，王充还提出了“冷不自生”的著名论断。据说，在尧的时代，有一种名叫“箑脯”的瑞草，它可以在厨房中自动长出来，并可以“扇暑而凉”（《说文·艹部》）。王充驳斥了这种说法，他写道：“儒者言箑脯生于庖厨者，言厨中自生肉脯，薄如箑形，摇鼓生风，寒凉食物，使之不臭。夫太平之气虽和，不能使厨生肉箑，以为寒凉，若能如此，则能使五谷自生，不须人为之也。能使厨自生肉箑，何不能使饭自蒸于甑，火自生于灶乎？凡生箑者欲以风吹食物也，何不使食物自不臭，何必生以风之乎？厨中能自生箑，则冰室何事而复伐冰以寒物乎”（《论衡·是应》）。王充认为，在大气（“太平之气”）中，不可能自动产生某种机制（如“箑”），以使温度降到低于周围环境的温度。他还进一步推断，若可以实现自动降温，那么就可以使火自燃于灶，使饭自蒸于甑，就是说也会自动发生升温现象。王充的观点是非常科学的，不仅符合热力学第二定律，而且在叙述的用语上也几乎和第二定律的现代表述类似。他从对冷热变化的经验出发，经过认真的思索，对这些经验全面地概括，发表了卓越的见解。