热的获得与对热的认识
除了太阳之外，火是人间的主要热源，也是一种重要的热现象。人类在一二百万年之前就开始利用火，考古学家认为，我国古猿人在50万年前就学会了保存火种的本领，这里面显然必须维持足够的温度，有一些隔热保温的办法。因为年代太久远，很难知道它的实际的具体情况。真正能够自由地获得热源，必须有取火的手段。我国古代很早就有“燧人取火”的说法。综合历来的资料，取火方法可分为以下三种：
第一是通过摩擦、打击等手段发热取火。我国在旧石器时代的中晚期，已经知道用打击石头的方法产生火花，后来又发明了摩擦、锯木、压击等办法。古书上所谓“燧人氏钻木取火”（《韩非子》），“伏羲禅于伯牛，错木作火”（《河图》），“木与木相摩则然”（《庄子》）等等，都不是子虚乌有。铁器使用之后，人们也用铁质火镰敲打坚硬的燧石而发生火星，使易燃物着火。这一些都是利用机械能转换成为热能，当然是十分费力而且很不方便的。
第二是利用凹球面镜对日聚集取火。《考工记》里有所谓“燧鉴之齐”之说，“燧”就是取火专用的凹面镜，在周代以来也叫“阳燧”、“金燧”、“火镜”等。《庄子》就说过：“阳燧见日则然为火。”1956~1957年在河南陕县上村岭1052号虢国墓出土一面直径7.5厘米的凹面镜，背面有一个高鼻钮，可以穿绳佩挂。值得注意的是，和它一起出土的还有一个扁圆形的小铜罐，口沿与器盖两侧有穿孔，用以系绳。这大概是供装盛艾绒和凹面镜配对使用的。这可以说是人类早期利用太阳热能的专用仪器，距今已有2500多年的历史了。具体的使用方法，东汉许慎（约58—约147）的一段话说得比较详细：“日高三四丈，持以向日，燥艾承之寸余，有顷焦，吹之则得火。”（《艺文类聚》引）这里指出：①必须在太阳升到相当高度，照度足够时才能使行；②引燃物是干燥的艾草；③所用的凹面镜的焦距只有“寸余”，聚光能力应当很好；④艾草温度升高到一定程度，起先只是发焦，要用人为方法供给足够氧气助燃（“吹之”），才使艾草燃烧发明火。
自战国以来，还曾有过“以珠取火”之说，可能是利用圆形的透明体对日聚集取火，它的效能等于凸透镜聚焦。不过使用一直不太普遍。
第三是利用化学药物引燃。在公元6世纪，我国发明了“发烛”。据元代陶宗仪的《辍耕录》（1366年成书）上说，这种“发烛”实际上是在松木小片的顶部涂上一分（3毫米）来长熔融状的硫黄。宋代陶谷的《清异录》上也说：“夜有急，苦于作灯之缓，有智者批杉条，染硫黄，置之代用，一与火遇，得焰穗，既神之，呼‘引光奴’，今遂有货者，易名‘火寸’。”可见，这种东西，就是利用燃点很低的硫黄，一遇红火即可燃成明火。在南北朝开始，就有专门制造作为商品供应，后来各地所用的材料略有不同，也有“发烛”、“粹儿”、“引光奴”、“火寸”及“取灯”等不同的名称。这种东西沿用时间很长，直至19世纪欧洲发明的依靠摩擦直接发火的火柴（当时民间叫做“洋火”）传入我国，才逐步地取代了传统的引火柴。
对于热的本质，“五行学说”与“元气论”都有自己的说法。“元气论”把热看成是一种“气”，它的集中表现是燃为火。所以《淮南子·天文训》有“积阳之热气生火”的说法。王充《论衡·寒温篇》解释冷热也说是“气之所加”。“五行说”认为构成自然的五种基本元素中就有“火”，而“火”有“燥热”之性，就是热的具体化。《墨经》作者根据“五行说”解释自然现象，有一条说：“合水、土、火；火离，然。……合之，府水。［木离木］……”这里的“木离木”三个字大概是后人的注解，第一个“木”字是注解“合水、土、火”，意思是说木是由水、土、火三种元素组成的，可以写作：
水+土+火生长木
这是根据树木的生长必须要有水分、土壤与阳光（火）这一农业生产的长期经验所得出的结论。注文中的“离木”是解释“火离，然”的，即表示火离木，就是说当木中所包含的“火”元素离木而出的时候，就表现为燃烧，所以说“火离，然（即燃）”。可以写作：
木燃烧［土+水↑］+火
把燃烧看成是“火”元素脱木而出的表现，是很有意思的。17世纪末，德国化学家希达尔曾提出著名的“燃素说”，认为可燃性的物质中都包含有一种“燃素”；燃烧就是“燃素”脱离物质而出的表现。这个学说后来虽然被证明是错误的，但在科学发展中曾起过一定的作用。墨家对燃烧的解释很有点象燃素说，所以也应该得到相当的评价。这种说法，后来一直流传着。例如北宋刘画在《刘子·崇学》中也明确指出：“木性藏火……钻木而生火。”属于相类似的思想认识。
测温与测湿
温度与湿度是热学中两个很重要的概念。它们同人们的生活与生产，特别是农业生产关系很大，因此受到极大的注意。比如人们早就知道，温度与湿度的变化使物体形状发生变化，但不同物质的变形程度又是不同的。所以在汉代人们就指出了“铜为物之至精，不为燥湿寒温变节，不为霜露风雨改形。”特别是度量衡器具的制作十分注意温度、湿度对材料的影响，人们就在此中也得到了不少有关的知识。
温度是指冷热的程度，我国古文献描述它的词汇很丰富，从低温到高温依次用冰、寒、凉、温、热、灼等表示。这里面显然有区别温度的含意。古代对于低温的获得，想了许多方法，主要是用冰。人们想了不少隔热保温的方法，把冬天的自然冰保存到次年夏天。从周代开始就有“夏造冰”的说法，但当时怎么造法，还有待研究。高温的获得复杂得多。远在先秦，在冶炼、制陶等工艺中，能得到摄氏1000度以上的高温。这里面有许多热学上的知识值得进一步研究。至于对温度的观察、测定更有多种方法，例如在冶炼、制陶、炼丹、烹调等工作中，各自摸索出一套观测温度的方法。
古代医学的研究已经认识到人体的温度应当是恒定的，所以可作为测温的标准，也就是“以身试温”。这当然是最粗略的土方法。《考工记》中记载冶炼青铜合金的工艺中，以蒸气的颜色作为判断温度的标准，据近人研究是合乎科学原理的。又如在对水加热过程中，则根据水泡形成状况，甚至水中热循环发出的声响来判断温度。在对某些固体加热过程中，则视其颜色的变化来判断温度，这些都是有科学道理的。但又是主要凭借人们的经验，所谓的掌握“火候”，缺乏易于掌握的客观标准。在西汉，有人曾试图制作一个测温装置。《淮南子·说山训》说：“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”瓶中的水结了冰，这说明气温低。同书《兵略训》说：“见瓶中之水，而知天下之寒暑。”在瓶中盛了水，当它结冰，可以说明气温低，如其熔解为水，又可以说明气温之升高。这观测范围比前者大，功能比前者好，或许可以认为是一种关于测温器的设想的萌芽。
《灵台仪象志》介绍的温度计真正称得上温度计的发明，是17世纪的事。1673年北京的观象台根据传教士南怀仁的介绍，首次制成了空气温度计。但我国民间自制测温器的不乏其人。据《虞初新志》记载，清初的黄履庄（1656~？）曾发明一种“验冷热器”，可以测量气温与体温，大概是一种空气温度计。清代中叶，杭州人黄超、黄履父女俩也曾自制过“寒暑表”，据说颇具特色，但原始记载过于简略，难知其详。
湿度是一个似乎很难捉摸的概念，它的变化与天气晴雨的关系十分密切，这在古人是有经验的。西汉《淮南子·说林训》就指出“湿易雨”。民间流传的大量天气谚语，都有类似的说法。王充《论衡·变动篇》指出“琴弦缓”是“天且雨”之验。这显然是指大气湿度的变化引起琴弦长度的变化。《淮南子·本经训》说得更加精彩：“风雨之变，可以音律知之。”大气湿度变化引起琴弦长度的变化是很微小的，难于察觉的，但反映在该琴弦所发的音调高低的变化却是十分明显的。这里可以说已经孕育着悬弦式湿度计的基本原理了！在欧洲，迟至16世纪中叶才有用鸟兽的肠（或野雀麦的芒）制成弦线，观其长度的变化来测知大气湿度。这种湿度计大约于1670年左右传入我国。黄履庄在1683年就自制成功一种所谓“验燥湿器”：“内有一针，能左右旋，燥则左旋，湿则右旋，毫发不爽，并可预证阴晴。”可见它的灵敏度很高，但它的结构与原理没有被记录下来，也可能是毛发式或天平式湿度计，但也黄履庄式气压计有可能是气压计，因为空气的湿度与气压的关系是十分密切的。如果是气压计，它的构造可能如下图所示：弯曲玻璃管AB盛以水银，A端封闭，水银面以上为真空，B端开口通空气，在B端水银面上，放一重物E（如钢块），丝线一端系于E，另一端绕过转轴O，挂一重物F（F的重量应略轻于E的重量）。当气压变化，B端水银面发生升降，E的高度随之变化，通过丝线转动转轴，使指针P发生“左旋”或“右旋”。1665年英国胡克创制的轮状气压计，也利用了这类原理。1885年英国人合信著的《博物新编》中介绍的气压计（书中称“风雨表”）也与之相差不多。
在西汉时代还有一种天平式的验湿器。《淮南子·泰族训》说：“湿之至也，莫见其形而炭已重矣。”同书《天文训》也说：“燥故炭轻，湿故炭重。”可见当时已经知道某些物质的重量能随大气干湿的变化而变化。同书《说山训》说：“悬羽与炭而知燥湿之气。”说得就是天平式验湿器。对于它的结构与原理，《前汉书·李寻传》颜师古的注，引三国人孟康的话，说的尤其具体：“《天文志》云：‘悬土炭也’，以铁易土耳。先冬夏至，悬铁炭于衡，各一端，令适停。冬，阳气至，炭仰而铁低；夏，阴气至，炭低而铁仰。以此候二至也。”这就是说，把两个重量相等而吸湿能力不同的物体（如羽毛与炭，或土与炭，或铁与炭）分别挂在天平两端，并使天平平衡。当大气湿度变化，两个物体吸入（或蒸发掉）的水分多少互不相同，因而重量不等，天平失去平衡发生偏转。这种验湿器简单易制，灵敏度也还好，使用时间很长，甚至在20世纪的农村气象哨站也还沿用，可见它具有很强的生命力。在欧洲也有过这种验湿器，那是15世纪才发明的，比我国迟了1600多年！
我国古代除了这些仪器以外，民间还用某些经验方法来测知湿度的变化。明代徐光启的《农政全书》引有一首农谚说：“檐头插柳青，农人休望晴；檐头插柳焦，农人好作娇。”“作娇”指酿酒，檐头的柳枝如保持常青，说明水分难以蒸发，必是大气湿度大，天气不能放晴；柳枝如易枯焦，说明水分蒸发很快，必是大气干燥，天气易晴，气温升高，利于发酵酿酒。这些验测大气湿度的经验，是有科学根据的。
热的传播与保温瓶
王充的《论衡》谈到不少热学知识，关于热的传播，《论衡·寒温篇》有这样一段话：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？气之所加远近有差也。”王充试图对热传播的本质加以解释。他认为热传播是依靠“气”。在他看来，“气”是一种可施可禀，能散能凝的物质本体。从上一段引文中可以看出，他已认识到热是从高温向低温传播的，并且是通过某种物质的；受热物体所得到热的多少跟它距离热源的远近有关，近热源者得热多，远热源者得热少。这些认识都是值得重视的。
在我国古代很注意保温。1978年，随县曾侯乙墓出土的两件保温的盛酒器，已有2400多年的历史。这种保温的盛酒器由内外两个独立的容器组成，里面的方形容器是盛酒的，外面的方形容器在冬季用来盛热水。由于外面容器的容积很大，所以热容量也十分大，能有大量的热传给里面容器中的酒，使酒温很快升高，并达到一定的温度，趋于热平衡。这样，壶中的酒得以保温。在夏季，外容器储冰，同样也可以保温。有了它，在寒天可以喝到暖人肠胃的汤浴温酒；在热天则可以喝到沁人心脾的冰镇美酒。
宋代洪迈（1123~1202）的《夷坚甲志》记载了一个很动人的故事：“张虞卿者，文定公齐贤裔孙，居西京伊阳县小水镇，得古瓦瓶于土中。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（裂），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，倾水瀹茗，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，无人能识其为何物也。”这个古瓶的奥秘在于利用二寸厚的空气层来保温，它实在是现代保温瓶的雏形。至于绘鬼烧火，是故弄玄虚，转移他人的注意力，以防仿造。这种利用空气层保温的器皿，以后也有流传（如明代张鼎思的《代醉篇》），不过在记载上有过于夸大之处。
热膨胀与热应力
我国古代制造精密器具时，为了避免器具受温度和湿度的影响而发生形状和体积的变化，很注意选料。《前汉书·律历志》说：“铜为物之至精，不为燥、湿、寒、温变节，不为霜、露、风、雨改形。”量器最考究精密，它的容积应力求不变化。唐代诗人李商隐（813~858）的《太仓箴》说得好：“龠合斗斛，何以用铜？取其寒暑暴露不改其容。”可见他们已经意识到物体形状、大小能随温度、湿度而有所变化。
物体热胀冷缩引起的热应力是十分强大的，不能忽视。古代作战与打猎，弓箭为有效的远程武器，制造者与使用者很留心它的热膨胀和热应力，要求弓在严冬和炎夏热应力变化不大。《考工记·弓人》就全面考虑了弓的取料问题：“弓人为弓，取六材，必以其时。”《梦溪笔谈·技艺》也讨论了这个问题：“予伯兄善射，自能为弓……寒暑力一。凡弓初射与天寒，则劲强而能挽；射久、天暑，则弱不能胜矢。此胶为病也。凡胶欲薄而筋力欲尽。强弱任筋不任胶，此所以射久力不屈，寒暑力一也。”
把热膨胀与热应力用之于工程也很常见。2世纪初四川武都太守虞诩，曾主持西汉水（嘉陵江的上源）航运整治工程，为了清除泉水大石，用火烧石，再趁热浇冷水，使坚硬的岩石在热胀冷缩中炸裂，以便开凿。《后汉书·虞诩传》的注引《续汉书》说：“下辩东三十里有峡，中当泉水，生大石，障塞水流，每至春夏，辄溢没秋稼，坏败营郭。诩乃使人烧石，以水灌之，石皆坼裂，因镌去石，遂无汜溺之患。”下辩为县名，在今甘肃成县西。如果追溯到更远，战国时蜀郡太守李冰，在今宜宾一带清除滩险也用此法：“李冰为蜀守，冰知天文、地理。……大滩江中，其崖崭峻不可凿，乃积薪烧之，故其处悬崖有赤白五色。”（东晋常璩《华阳国志》卷三《蜀志》）。此事大约在公元前256年到公元前251年。
这种“火烧水淋法”（或纯火烧，即火烧空气冷却）后世也有应用。《物理小识》卷七《烧石易凿法》说：“万安张振山开河……以桐油石灰与黑豆末之，烧石，则凿之甚易……智按：以硫烧之，其石亦易碎。”明、清时也曾用“火烧法”（或叫烧爆法）来开矿。
在金属冶炼技术中，由于温度变化范围大，热应力问题最值得注意。殷商时代的青铜铸造工艺中，就设法尽量减少热应力，例如殷代中期的盛酒青铜器“四羊方尊”（1938年湖南宁乡出土）高0.583米，它的羊角头采用“填范法”铸成中空，泥胎不拿出。这种方法不仅节省了青铜，更重要的是可以避免在冷缩过程中由于厚薄关系而引起缩孔和裂纹。同时期一些青铜器的柱脚（或粗大部分），也采用这种方法，只有柱脚最末端一二十厘米是铸成实心的。这种填范法是为了减少热应力。
3000多年前减少热应力的填范法与2200多年前增大热应力的火烧法，从不同侧面显示了我国古代对于热膨胀与热应力的认识。
物态变化
物质有固态、液态、气态三种状态，温度的变化能使三态之间相互变换。这方面的知识，当推古代炼丹家最有研究，他们最初是为制取长生不老药，后来为了制取黄金，长年累月地把一些药物拿来加热、冷却、火煅、水煮，使物质的状态不断地变化。据记载，炼丹有“火法”和“水法”。“火法”包括：“煅”，即长时间的高温加热；“炼”，即干燥物质的加热；“炙”，即局部烘烤；“熔”，即加热熔解；“抽”，即蒸馏；“飞”，即升华；“伏”即加热使药物变性。“水法”更多，包括“化”，即溶解；“淋”，即用水溶解固体物质的一部分；“封”即封闭反应物质长时间地静置；“煮”，即物质在大量的水中加热；“熬”，即有水的长时间高温加热；“养”，即长时间的低温加热；“浇”，即倾出溶液，让它冷却；“渍”，即用冷水从容器外部降温。此外还有什么“酿”、“点”以及过滤、再结晶等方法。在这么多过程中，物质状态有各种各样的变化，必然要积累大量的知识，可惜炼丹家们往往不注意这一方面。
在日常生活中，水、冰、水气三者之间的变化，是最常见的物态变化。雨、露、霜、雪是最大规模的物态变化。
对于气、水之间的变换，远在先秦的《庄子》、《礼记》等书已有“积水上腾”、“下水上腾”等说法，“上腾”指的是水的蒸发，即汽化。对于水气凝结成水的过程也是十分注意的。自从春秋战国以来，和“阳燧取火于日”相配对的有所谓“方诸取水于月”。“方诸”是什么？有不同的说法，有说是“大蛤”，有说是铜盘，有说是方解石……总之是一个对水不浸润的物体，夜晚把它放在露天，结上露水。为什么说要对月，除了与“对日取火”配对外，大概是因为既是有月，必是无云，地表没有隔热层，热量易于发散，气温容易下降，到了露点之下，可以得到露水，所谓“露水起晴天”。这样取得的露水，叫做“明水”，据说有神奇的功效，汉武帝很喜欢饮用这种“甘露”。这个“方诸取水”在古代是十分郑重的事，所以大家要进行研究，从中得到不少关于凝结方面的知识。
晋代的张华（232~300）《博物志》记载过一个有关汽化的实验：“煎麻油，水气尽，无烟，不复沸则还冷，可内手搅之，得水则焰起，散卒而灭。此亦试之有验。”油水混合物在受热过程中，由于沸点不同，水先沸腾，犹如冒“烟”，当水汽化完毕，则“无烟”。加热停止，油不再沸腾，此时如加水，由于油温尚高，水即急极汽化，又见“焰”起；汽化完毕，也就“散卒而灭”了。张华对这个过程观察得很仔细，记载得很具体，并说曾“试之有验”，肯化功夫动手实验，难能可贵。当然，记录中错误地把上升的水汽、烟、焰三者混淆，又说油温下降时“可内手搅之”，也未免有些夸张。
至于冰——水之间的熔解、凝固，更是人们常见的。《考工记》就指出“水有时以凝，有时以泽（释），此天时也。”注文说得更加明确，“至柔者莫如水，疑苦不能凝矣。然隆冬冽寒，则坚凝而为冰；既坚矣，疑苦不能释也，及暖气和融则复消释而为水。”（《古今图书集成》引）直接把温度高低与状态变化联系起来。从这些研究中无疑也获得许多物态变化的知识。
有了这方面的知识，无怪能对雨露霜雪等现象作出某种解释。例如，汉代董仲舒（前179~前104）解释雨、霰、雪的成因时说：“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。其寒月则雨凝于上，体尚轻微而因风相袭，故成雪焉。寒有高下，上暖下寒，则上合为大雨，下凝为冰、霰、雪是也。”这第一句是说阴气（水）受阳气（日光）之照射，蒸发上升，处于“若有若无、若实若虚”之状。接着就指出了雨、雪、霰就是水汽遇冷在不同条件下凝结而成。这些解释虽然也有错误的地方，但总的说来，是根据温度的升降而引起物态变化的道理，大方向是正确的。在这一段叙述中，把蒸发、液化、凝固三种过程都说上了，确实是很有意义的。后来，唐代的丘光庭和宋代的朱熹，都用煮饭做比喻，说明雨的成因。朱熹说：雨的形成，就好像煮饭时，水气凝结在盖子上，落下来便是。这个说明不但很具体生动，而且也很大胆，居然敢把某些人视为上帝旨意的现象，比作为煮饭。这也说明朱熹确实对于汽化、液化这些过程有较深刻的了解。
露与霜的成因，又有不同。地面上的空气中含有水气，当水气的含量达到饱和时就会凝结出水滴来，这就是露；如果地表气温低至0℃和0℃以下，则水气直接凝结为固体，即为霜。所以露与霜，都是地面空气中直接形成，并不是从高空下降的。远在周代《诗经》里，就有“白露为霜”的诗句，说明当时人们已经认识到霜就是白色的固态的露。东汉时代大文学家蔡邕曾明确地指出：“露，阴液也。释为露，凝为霜。”《五经通义》更直接地说霜是“寒气凝”结出来的，是从地面上来，并非从天空下降的。关于这一点，朱熹说：“古代的人说露凝结而为霜，现在观察下来，那是确实的。但程颐说不是，不知什么道理。古人又说露是‘星月之气’，那是不对的。高山顶上天气虽然晴朗也没有露，露是从地面蒸发上来的。”这段话讲得多么好啊！对古人今人的话，既不一概是之，也不一概非之，而是根据自己的观察，摆出事实，讲出道理，真有点科学的、实事求是的态度。
正因为人们懂得了霜的成因，所以也就有办法对付它。南北朝时代贾思勰的《齐民要术》一书（成书于533~544年）总结了许多科学知识，其中就有关于防止霜冻的办法：“天雨新晴，北风寒彻，是夜必有霜。此时放火作煴，少得烟气，则免于霜矣。”这几句话很切合物态变化的道理。天雨刚晴，地面空气湿度必大，入夜后地面热量发散，温度降低，又遇冷风，气温易低至0℃以下，空气中的水气即凝为固态的霜。如在田野上烧些柴草，一则发热提高气温，二则使地面蒙上一层烟尘，可以隔热，地面热量发散变得比较缓慢，保持温度不致降至0℃以下，那就不会有霜了。这种行之有效的防霜办法，历来为广大农村所沿用。
