一門從蒸汽中誕生的科學
每一杯被你放涼的熱飲、每一具汽車引擎、每一台在廚房嗡嗡作響的冰箱，以及「你無法把牛奶從咖啡裡再分離出來」這個事實——這一切都是熱力學在運作。它是物理學中把熱、功、溫度與能量連結起來的分支，在 1800 年代隨著蒸汽機一同成長；當時工程師迫切想知道，一團火究竟能榨出多少功。
讓熱力學如此強大的訣竅，在於它是宏觀的：它從不去追蹤氣體中那 10^{23} 個個別分子。取而代之，它用寥寥幾個日常的數——壓力、體積、溫度——來描述整團系統，並找出這幾個數必須遵守的定律。你不必解出任何一個分子，就能獲得驚人的預測能力。
畫一條界線：系統與環境
每一道熱力學問題，都從畫一條想像的界線開始。界線之內的一切就是系統——汽缸中的氣體、水壺裡的水、引擎的工作流體。界線之外的一切是環境，而界線本身是邊界。熱與功都在邊界上進出，因此把邊界選對，就贏了一半。
系統的狀態，用幾個數表示
在平衡時，一團簡單氣體可以用幾個狀態變數完整描述：壓力 P、體積 V、溫度 T、氣體的量 n（以莫耳計），以及總內能 U。它們並非各自獨立——彼此由一條狀態方程綁在一起。對理想氣體而言，這條方程就是著名的理想氣體定律。
理想氣體定律把壓力、體積、氣體量與溫度綁在一起；R 是普適氣體常數，約為 8.314 J/(mol·K)。
由於（對固定量氣體）只要其中兩個數就能定死其餘的數，我們就能把氣體的一生畫在一張地圖上：PV 圖，縱軸是壓力、橫軸是體積。氣體的一個狀態就是圖上的一個點；一個改變氣體的過程則是圖上劃過的一條路徑。本單元幾乎一切，都發生在這張圖上。
把溫度講清楚：熱力學第零定律
我們對溫度都有直覺，但物理學需要把它釘死。把一個熱物體貼上一個冷物體，能量會流動，直到兩者不再變化——它們達到了熱平衡。溫度就是「兩物體處於熱平衡時所共有的那個性質」。而熱力學第零定律保證這個定義說得通。
第零定律：若 A 與 C 熱平衡，B 也與 C 熱平衡，則 A 與 B 彼此也熱平衡。正是這種遞移性，讓一支溫度計（C）能為萬物指派同一個數——溫度。
一口氣講完四大定律
這裡先預覽整門學科。第零定律給了我們溫度。第一定律說能量守恆——你能把熱轉成功、再轉回來，但永遠無法憑空創造或消滅總量（把熱納入的能量守恆）。第二定律說過程有方向：熱會自動由熱流向冷、引擎永遠不可能完美、亂度傾向增加。第三定律說你能逼近、卻永遠碰不到絕對零度。