与“世界并不缺少美，只是缺少发现美的眼睛”一样，这个世界并不缺少能，缺少只是利用能的手段。热机之所以重要，就是因为通过它，人类获取了一种大规模开发利用内能的手段。

常见的物质都是由分子构成的，构成物质的分子在不停地做无规则运动，分子之间有相互作用的引力和斥力。因为温度越高，分子的无规则运动越剧烈，所以大量分子的这种无规则运动又被称为热运动。

分子在动，就有动能；分子之间有像物体和地球之间引力相似的相互作用，那也就有相应的分子势能。内能就是物体内部所有做无规则运动的分子动能和分子势能的总和，它是与热运动相对应的能量。我们身边的任何一个物体都具有内能。

内能能自发地从高温物体传递到低温物体。生活中，我们常利用这一点烧水、煮饭和取暖。人体内无时无刻不在发生各种各样的化学反应，许多化学反应都能为人体提供热量。有了它们提供的热量，人体才能维持恒定的体温。

内能既然是一种能，也就能够用来做功。热机就是利用内能做功的机器。蒸汽机是最早出现的一种热机。经过英国技师瓦特的三次重大革新，蒸汽机成为了推动人类进入工业时代的动力机，它开创了人类利用自然力的新纪元。在此之前，人类利用的自然力不外乎水力、风力、牲畜力等。有了瓦特的蒸汽机，人类才第一次获得了强大而又稳定的动力。从此，人类进入了飞速发展的新时代。读者们今天的幸福生活，在很大程度上就是由瓦特的蒸汽机直接或者间接带来的。

虽然经过瓦特改进后的蒸汽机的效率有所提高，但能量的浪费仍然非常严重。为了提高热机的效率，法国工程师卡诺认真分析了蒸汽机的工作过程，发现蒸汽机效率不高的根本原因是内能会自发地由高温物体传递到低温物体。在此基础上，卡诺提出了理想热机的模型，并指出了热机的效率与温度的关系。卡诺的分析为热力学奠定了坚实的基础。著名物理学家费恩曼在其闻名于世的讲义中说，卡诺的这一分析是工程学对物理理论作出基本贡献的为数极少的几个实例之中最突出最著名的一个例子。

热力学是一门逻辑严密推理精妙的基础科学。例如，对于大多数磁介质，增大压强会导致磁化困难。将这一经验事实与热力学结合起来，不仅可以导出磁场增强时，磁介质的体积会增大，而且还可以得到二者之间的定量的关系。将体积会随磁场增强而增大的磁介质晶体置于超声波频率范围内的周期性变化磁场之中，它就会发出超声波。再如，一根橡皮带，加热它，它就会收缩；将这一经验与热力学结合起来，就可以做出拉长它，它就会发热的推断。热力学在化学、天文学、地球科学、工程学等方面都有着广泛的应用，它从诞生之日起就是人类认识自然、改造自然的一把利器。

虽然卡诺之于热力学，甚至超越了伽利略之于牛顿力学的影响，但由于他的洞察过于超前和政治歧视等方面的原因，直到36岁英年早逝时他都还默默无闻。日本学者汤浅光朝认为，法国科学在十九世纪初很快就衰落的原因是因为科学家团体的集体老化。正如后来有学者指出的那样，科学家团体的集体老化不应当是原因，而应当是科学衰落的一种表象或者说是一种结果。试想，人生自古谁不老？一个稳定的社会，各方面的人才都会“代代出”，不会“集体老化”。编者个人感觉，法国科学的衰落，主要是由于拿破仑之后的法国，社会动荡、政局不稳、政治与宗教歧视（在一个激荡的时代里，人类总是特别容易走极端）、气候变化（研究表明，由年坦博拉火山爆发引起的气候变化对法国的影响特别大）等因素造成的。翻翻十九世纪法国史，读读哪个时代的科学技术史，你就会发现卡诺、伽罗华等天才的遭遇决不是偶然的。如果卡诺、伽罗华等天才顺利成长，法德科技方面的竞争的态势与走向肯定会有很大的不同。

法国科技的衰落，说明一个国家科技的持续健康发展，稳定的社会环境是必不可少的。放眼古今中外，哪个国家不是“千里马常有”？为何有的国家科技人才辈出，而有的国家科技人才只是昙花一现呢？关键还是社会环境。在良好的社会环境下，科技人才新陈代谢正常，自会“千里马常有”，“伯乐”也常有。否则，就会像拿破仑之后的法国那样，科技方面的优势很快就荡然无存。

在编者所看到过的有关卡诺的资料之中，除著名物理学家费恩曼认为卡诺的分析没有任何问题之外，其他的人都说卡诺的分析是建立在错误的热质说的基础之上的。费恩曼指出，虽然卡诺在分析之中并没有用到能的转化和守恒定律（因为卡诺死于霍乱，所以人们将他的大部分著作都烧了。他的一本幸存的笔记本于年才被公之于众。人们从笔记中发现，卡诺是第一个认识并非常完美地表述了能的转化和守恒定律的人。他的过早离世令他的这一重大研究成果在前一直停留在他那被存封的笔记本上。若能及时发表，那人类的历史肯定就会有点不一样了），但他的分析、论证仍是成立的，而人们对卡诺的误解则源自10年后另一位法国工程师克拉珀龙对卡诺理论的推导。克拉珀龙在推导中采用了热质说。有兴趣的读者若能找到卡诺的原始论文《论火的动力》（这篇论文是热力学的奠基之作，被多位名家誉为是人类理性思维的骄傲。编者没能找到全文，只读到了一些小小的片断。虽然只是几个小片断，但仍能从中感受到年轻的卡诺的那种只有大师级人物才能具有的非凡的气场和宏大的视野），仔细品读，自己作判断。

虽然克拉珀龙的推导有明显的问题，但他的文章中不仅包含了卡诺论文的关键点，而且还有许多创新。正是在克拉珀龙发表的论文的基础之上，德国人克劳修斯和英国人开尔文勋爵才最终建立起了严密的热力学体系。克拉珀龙的论文不仅在理论上很重要，而且对实践也有重大的指导意义。克拉珀龙在论文的最后指出，因为火的温度比锅炉的温度高很多，所以从炉子到锅炉，大量的能量被浪费了。因此，要提高热机的效率，关键是要提高工作物质的温度。这启发了人们去研发内燃机。三十余年后，法国工程师德罗沙在法国人莱诺发明的二冲程内燃机（效率只有4%）的基础上，提出了非常详细的四冲程内燃机的构想。十多年后，德国工程师奥托实现了德罗沙的设想，大幅提高了热机的效率。年，在法国巴黎举办的万国博览会上，奥托的内燃机被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。奥托的内燃机采用的燃料是煤气，需要庞大的煤气发生炉和管道。后来，德国人戴姆勒和迈巴赫发明了轻巧许多的四冲程汽油机。有了轻巧的内燃机，人类很快就迈入汽车与飞机的时代，地球也因之而迅速变小。但热机的发展却并没有止步，后来人们不仅又陆续地发明了柴油机、蒸汽轮机、喷气式发动机等新型高效的热机，而且也通过采用如涡轮增压等方面的技术，不断地提高热机的效率和动力。

一部热机发展史，不仅是一部人类不断超越自我的历史，而且更是一部热机理论与热机实践交相辉映的历史。