諾貝爾奬得主為你寫的熱力學入門書!
本書適閤:
★所有需要修「熱力學」的理工科係學生
★對科學有興趣的高中生
★所有想瞭解能源運用效率的社會人士
★母國光、牟中原、李遠哲、李開復、林孝信、高湧泉、張亞勤、黃俊傑
熱力推薦 (依姓氏筆畫排列)
誰說科學教材全都寫得「非人性」、又冷又硬?
諾貝爾化學奬得主John Fenn的這本《熱力學練功寶典》,
完全打破瞭傳統寫法。
全書迴歸到人與曆史的角度,
作者精心塑造齣來的「查理洞人」,會一路陪伴讀者,
透過許多日常經驗中可見的例子,
及生動的科學傢故事,
很有係統的認識一切與「熱」有關的觀念、曆史和應用。
作者簡介
薑.範恩 John B. Fenn
2002年諾貝爾化學奬得主,主題是大分子質譜學。範恩的得奬報告,題為「讓大象飛起來」,他給諾貝爾基金會的自傳,則隻談到他在超音速分子束的研究工作。1970年代,範恩從普林斯頓大學轉任耶魯大學,在耶魯,他麵臨如何教會一般學子(包括非理工科)懂得科學,古典熱力學便是入門之一,於是做瞭一個貫穿的授課綱要。1980年初,這個頗受歡迎的講稿應邀齣書。由於本書特有的人文曆史架構,因此不但是很紮實的入門教本,更是一部帶有科學史縱深的科普佳作。(更詳細的事蹟,請見書末的「阿薑正傳」。)
譯者簡介
李乃信
1971年進耶魯大學研究所,1972年參入範恩團隊,1976年取得耶魯大學化工博士,當年也是個超音速分子束迷。受惠於範恩的,主要是他的「講究動手」與科學的人文麵,常和範恩抬槓,討論天南地北。博士後時期在科羅拉多大學,繼續耶魯所學,原也想立足學術界,但受範恩鼓勵,轉入工業界。1980年入杜邦化學公司,1984年入美國奇異公司,1986年入林科(Lam Research)公司,赴日運作,1991年入應用材料(Applied Materials)公司,1994年起任應用材料公司中國區總裁直到2003年退休。
序
引言
謝詞
1 一開始
冷熱本不同
從功取熱
功熱兩不同
希臘英雄進場
火藥先來瞭
蒸汽再次登場
迴顧
練功
2 多熱纔算熱?
以手測熱
早期的溫度計
可究竟什麼是溫度?
氣體測溫法
國際溫標
總結
溫標練習
3 係統、性質、狀態
一些通用術語的特定意義
溫度為何登場
和溫度的關係
莫耳和分子
理想氣體定律
其他的狀態方程式
一些案例
重點
狀態檢定考(「政治傢纔能」測驗)
4 迴到工作(功)
概說機械功
膨脹氣體所做的功
壓力變化下的功
迴到等溫膨脹之旅
案例
簡要
學會計功
5 再加把「熱」
熱是一件事
有多少熱發生?
模型及緣由
「熱子法典」與「冉福得鑽鏜」
案例
熱的細目
暖身練習
6 循環分析的起源
這引擎不是鬧著玩的
循環(但非繞圈子)的思維
卡諾的著名循環
卡諾連續循環的結果
引擎和定律
案例
記取循環
卡諾訓練
7 熱即是功,功即是熱,相去惟「能」
變換場景:從軍火庫到釀酒廠
力學和能量概念的源起
功和守恆係統
踏進力學
現在,把「熱」加進來
其他種類的能量?
案例
等效性的基本要素
等值練習
8 一難兩律
異地同時
舊酒新瓶
等壓加熱
無熱之功──絕熱膨脹與絕熱壓縮
卡諾循環再來一迴!
案例
總結
執「法」練習
9 總而言之
10 HER「她」一言難盡
HER「她」在發電廠
HER「她」與科學
解決三個問題
備忘錄
HER「她」的更多暗示
11 頭巾下的「她」(引擎蓋下的HER)
奧圖循環或「火星點火」引擎
「辛烷數」遊戲
溫馴的柴油
效率 ? 環境
淨化空氣的成本問題
開車時想一想
引擎問題
12 進入熵的世界
性質屬性 ? 交互作用
「交互」齣「性質」
算計熵的變化
再談「與路徑無關」
再練功一迴
值得迴憶
熵裏玄虛?
13 到底是熵
追求優雅
隔離係統的熵變
熵與第二定律
洞悉因果
熵之本性
序與亂
附錄1 力學性質──單位和測量
附錄2 對數花園導覽
附錄3 到處有熵
附錄4 元素原子質量
符號錶
習題解答
阿薑正傳
譯後記
索引∕名詞解釋
序言
賀西巴赫(Dudley Herschbach)
1986年諾貝爾化學奬得主,哈佛大學教授
範恩給瞭我們一本非凡的書。
一眼瞟過章節、插圖、或者韻文,馬上就能感受到他那種貼切奇趣的特有氣質。不過,讀者可彆以為這隻是一本可口的小品。範恩對熱力學的「非典」闡述,其實是對它的莊嚴雄偉和廣泛用途的頌詞。他沒嚮「迴避數學」這一類詭辯式的呼籲低頭,還以自己的獨特風格,開闢齣要瞭解熱力學微積分所必要的東西。
能量與熵的妙境並非是什麼學術玄界,不過它也頗似美國女詩人瑪麗安?摩爾(Marianne Moore)的描述:「詩談的是一些想像的花園,花園裏頭有活生生的蛤蟆。」熱力學則檢視一些虛擬的程序,藉此鑒定齣我們生活的真實世界裏,哪些程序是可能的。這樣的虛實分野和限製是重要、嚴謹而宏大的,適用於星雲、蛤蟆、分子,一視同仁。不過,就像詩一般,第一次念熱力學,會覺得它難解,通常是因為學生迷失在花園裏,或者給那些蛤蟆嚇瞭一跳。老是怪罪數學是沒用的,一大批選修經濟係課程的學生,照樣得用同等程度的微積分,而經濟學鮮少給齣精準的推測,一點也不好玩。
範恩講解的機巧和妙語,讓蕓蕓眾生都得以登堂入室一門頗為深奧的科學。他切入的特點是選用許多精心設計的例子,佐以曆史迴顧或文化之旅。除瞭生動闡明一個主題,那曆史之旅還展現瞭科學如何進展,或順勢或猛跳,這和一隻蛤蟆的行止頗為類似。對許多人來說,這個麵嚮和熱力學原理一樣具有?發性。就像藝術和音樂,科學很是「人性」的誌業。過於單純,甚至完全無理的念頭,常常是打開全新看法的重要關鍵;真相總是耐心的靜待發現,原始粗糙的想法可以變形為優美而牢固的概念。就這樣一個煉丹術般的過程,熱力學緩緩的從蒸汽迷霧裏浮現,實實在在成為科學當中最有力的精靈之一。
我感謝範恩開闢齣一條引人入勝的悟徑,穿進這精靈居住的花園裏。
賀西巴赫(Dudley Herschbach),於哈佛大學
前言
範恩
本書誕生於這兩個信念:(1)受過開明教育的人,應該懂些熱力學法則;(2)任何一個有點智力的人,即使沒有或幾乎完全沒有科學和數學的背景,也隻需要適度的努力便可以懂得熱力學。
以上的第一點,史諾(C. P. Snow)已經在《兩種文化》這本引起極大討論的書中,極具說服力的論斷過,教人難忘。我同樣相信,對於受過開明教育的人而言,和欣賞莎士比亞戲劇同等重要的是:能夠瞭解究竟是什麼驅動瞭車輪,讓車子把他們帶到劇場!
至於第二點,則與校園裏流傳的說法有點矛盾。俗謂:即使是理工科的學生,也得在鑽研兩三遍以後,纔能理解熱力學的精髓。當然,我本人第一次碰到這個主題時,也挺迷惑不解,遑論領悟。不過,經過二十多年的繼續學習,以及嘗試教好這門科學,我想我開始瞭解為什麼這種說法會留存下來,雖然我倒變得愈來愈不認同它的真實性。
熱力學分析裏所採用的形式運算與說理鋪排是很簡單的——簡單到教人毫不起疑,甚至是容易誤信的。可是,這形式裏所牽扯的物理量(quantity)很是抽象。當中的一些物理量,還以多種麵貌棲居在可觀測到的世界裏,經常不太容易給辨識清楚。許多初學者碰到的睏難,無疑是辨識的問題。他們摺騰在這些過程裏頭:將實際物理情況「轉譯」成形式文字,從觀測中萃取必要的物理量來加工運算。這個形式可以說是一個描述現實世界的某種語言,而初學者正支支吾吾的把這個現實世界的東西和程序,對應到這種語言的名詞和動詞。
我所熟悉的傳統教本裏,多在強調形式及其運算,而忽略瞭「轉譯」的問題。他們執著在文法上,而以為人人都曉得文義。這樣就助長瞭愈來愈多的公式推演本,將熱力學化約為一種製式習作:從一開始幾個簡單的假設,演繹齣一大套的公式條文。另一個流行的做法是:先假定一個微觀的原子和分子的物質模型,加以適當的力學和統計學,然後導齣宏觀的熱力學陳述。以上這些方法,各有其引人之處,也是學生該經驗到的一部分。但是,我總以為這樣的切入太不自然,離開可見、可聞、可感的日常經驗太遠;這些經驗正是大傢賴以建構自己與宏觀的古典熱力學程序之間密切關係的基颱,而古典熱力學又如此有效的描述瞭這個世界。
當然,從曆史的觀點,如今所謂的古典熱力學,原是生根於過去一些智者的洞見能力。他們能夠從相對有限的個案觀察中,歸納齣一些普遍的結論。如此的有力和優雅,錶明瞭歸納法的成功。確切的說,演繹法是個重要的角色,可從一般的原則推導齣「特定」的結論。可是要瞭解和放心的運用這些原則,要熟練的將這些原則和真實的世界掛鈎,我認為一個人必須設身處地的重走一次歸納法路子,重溫當初智者們的發現過程纔行。
在寫此書的時候,我嘗試強調與闡明「轉譯」的程序,不斷訴諸讀者自己的切身經驗,同時也把這個程序連結到我們整個人種的共同經驗。長久以來,我一直和大傢分享的觀點就是:個人的學習過程,與整個人類的學習過程極為相似。所以,有相當的曆史滲入到這本書的字裏行間。大部分學生欣賞這樣的曆史觀點,不過也有些學生,剛開始時相當強烈的覺得,曆史和其他人文的點綴,不適閤齣現在一本科技書裏。齣乎我意料之外的是,大部分負麵的反應來自人文、藝術、或社會科學的文科學生!他們落入一種窠臼,認定科技就是完全非人性、全然客觀的生冷形象,因而當他們發現,科學的活動,無論在目的和方法上,都是非常「人性」的努力和作為,反而似乎有點挫摺感。同樣這些學生,對我想達到的不拘形式的輕鬆氣氛,反倒不安起來;他們對「查理洞人」這個角色感到不自在。好在,他們最後總算放輕鬆瞭,能夠毫無束縛的享受學習之樂。
這本書尚未付梓之前,曾經以講義手稿的形式,用在耶魯大學化學和物理的初級課程裏。因為這些課程的標準教本涵蓋瞭太多的課題,所以隻能讓齣一點點空間,很梗概的介紹熱力學的方法與應用。對於主修生物學和地質學的同學而言,熱力學在他們的科係裏愈來愈重要,而本書該是最容易切入的入門導論。然而,物理科學和工程科係的同學,就需要修習一門單獨的熱力學,他們應該會感受到本書的好處,一方麵因為本書的觀點和切入方法有彆於其他標準本,另一方麵也因為本書解答瞭一些他們不太敢問的(其他版本又忽略的)、看起來太基本的問題。盡管本書簡單易懂,或者正由於它簡單易懂,因此可以做為一個學期的基礎教本,特彆適用於工學院的一、二年級熱力學。如果能完全瞭解本書的內容和演練習題,同學們對熱力學的掌握,將和大多數使用其他傳統標準本的同學不分軒輊。
從我以上的話,本書顯然是個非典熱力學版本。我不說它是完整、嚴密、或優美的;也不說它構成一套學門大綱──意思是說,一個組織好的「過關」用的教本,學完課程瞭就應取得相應的資格能力,以便踏入其他相關但不同的領域。反之,本書的目的隻是要引導讀者,來輕鬆的瞭解熱力學的基本原理和方法。
毫不臉紅的簡單基本,本書力求真實單純。
薑.範恩(John B. Fenn)
拿到這本書,我第一個冒齣來的想法就是,它會不會像一本武林秘籍一樣,把我從對熱力學的一竅不通,變成一個能夠運用自如的“高手”?“練功寶典”這個名字實在太有畫麵感瞭,讓我忍不住想象裏麵是不是藏著什麼神奇的招式和心法,能夠幫助我快速掌握那些復雜的概念。我一直對熱力學中的“熵”這個概念感到非常睏惑,它到底是什麼?為什麼它總是增加?它對宇宙的未來有什麼樣的影響?我希望這本書能夠用一種非常易懂,甚至是比喻的方式來解釋清楚,而不是乾巴巴的數學公式。而且,“熱的簡史”這個副標題,也讓我對接下來的內容充滿瞭好奇。我希望它能帶我穿越時空,去看看那些偉大的科學傢們是如何一步步探索“熱”的奧秘的。從古希臘人對火的哲學思考,到煉金術士對能量轉化的初步實踐,再到卡諾、剋勞修斯、開爾文等人的理論突破,我希望這本書能把這些曆史故事講得繪聲繪色,讓我感受到科學探索的艱辛與輝煌。我希望它能解釋清楚,為什麼能量守恒定律如此重要,它又是如何被發現的。而且,作為一本“練功寶典”,我自然而然地期待它能有足夠多的例題和練習,而且這些練習應該是有深度的,能夠引導我去思考,去理解,而不是簡單地機械記憶。我希望通過這本書,我不僅能理解熱力學的基本原理,更能體會到它在整個科學體係中的獨特地位和深遠影響,甚至能夠從中獲得一些啓發,去思考更廣泛的科學問題。
评分我拿到這本《熱力學練功寶典-熱的簡史》的時候,第一反應是它的書名聽起來有點……嗯,充滿野心。我一直認為熱力學是物理學中最基礎,也最抽象的學科之一,它涉及到很多讓人頭疼的概念,比如熵、自由能等等。所以,當看到“練功寶典”這幾個字時,我一方麵感到一絲期待,希望它真的能讓我“練就”一身熱力學的好本領;另一方麵又有些懷疑,這種抽象的學科真的能通過“練功”來掌握嗎?我希望這本書能夠提供一種全新的視角來理解熱力學,而不是僅僅重復教科書上的內容。我希望它能從“熱”這個最直觀的現象入手,比如一杯熱咖啡為什麼會逐漸冷卻,或者一個蒸汽機是如何工作的,然後層層遞進,引齣更深層次的熱力學原理。我特彆想知道,它會不會解釋為什麼熱力學是“不可逆”的,以及這個“不可逆性”究竟意味著什麼,它對我們的生活有什麼影響。而且,“簡史”這個部分,我期待能看到熱力學理論是如何一步步發展起來的,有哪些關鍵性的實驗和理論突破,以及這些突破是如何改變瞭人們對世界的認知。如果這本書能夠將這些曆史性的發展與抽象的理論解釋得天衣無縫,讓我在學習理論的同時,也能感受到科學探索的魅力,那就太棒瞭。當然,“練功寶典”的 title,也讓我對書中的習題和講解充滿瞭期待,我希望它們能夠真正幫助我理解和掌握熱力學的精髓,而不是流於形式。
评分這本《熱力學練功寶典-熱的簡史》的書名,讓我腦海中瞬間勾勒齣這樣一幅畫麵:一位身著復古服飾的學者,在古老的實驗室裏,一邊搗鼓著各種奇特的裝置,一邊若有所思地撰寫著他的研究心得。我之所以會産生這樣的聯想,是因為“熱力學”本身就帶有一種沉甸甸的科學厚重感,而“練功寶典”則暗示著它蘊含著某種精深的技巧和方法,足以讓學習者脫胎換骨。“熱的簡史”則像是一條時間的長河,蜿蜒流淌,訴說著人類對“熱”這一古老而又神秘的現象的探索曆程。我非常好奇,這本書是否會從人類最早對火的崇拜和利用開始講起,然後逐漸過渡到早期科學傢們對熱量的測量和理解,比如牛頓的溫標,斯維爾德魯普對熱的測量。我希望它能詳細講述那些改變曆史的實驗,比如拉瓦锡的氧化實驗,焦耳的機械功與熱量轉化實驗,這些實驗是如何一步步揭示瞭能量守恒的秘密。而且,“簡史”的部分,我希望它不僅僅是羅列事實,更能挖掘齣科學思想發展的邏輯和脈絡,比如“熱質說”的興衰,以及熵的概念是如何誕生的,它又解決瞭當時哪些科學難題。同時,作為一本“練功寶典”,我期待它能在理論講解清晰的基礎上,提供一些高質量的練習題,這些題目應該能夠引導讀者深入思考,而不是簡單地套用公式。我希望通過這些練習,我能夠真正地“練就”理解和運用熱力學原理的能力,甚至能夠觸類旁通,將所學知識應用到解決現實世界中的問題。
评分這本書的封麵設計相當吸引我,那種復古的風格,泛黃的紙張紋理,讓人立刻聯想到那些塵封已久的經典著作。書名“熱力學練功寶典-熱的簡史”雖然有點……嗯,直接,但“練功寶典”四個字卻透著一股子神秘感,仿佛裏麵藏著某種絕世秘籍,讓人躍躍欲試。我一直在尋找一本能讓我真正理解熱力學基本原理的書,而不是那些乾巴巴的公式和定義堆砌。我希望這本書能夠像一位循循善誘的老師,一步步帶領我走進熱力學的世界,從最基礎的概念講起,比如能量、熱量、功,再到熵、焓這些更深奧的內容。我特彆期待它能解釋清楚,為什麼熱力學定律如此基礎且重要,它們是如何塑造瞭我們對宇宙的認知,以及在現代科學和工程領域扮演著怎樣的角色。而且,“簡史”這個詞也勾起瞭我的好奇心,我想知道熱力學的發展曆程是怎樣的,有哪些偉大的科學傢為此做齣瞭貢獻,他們的思想又是如何演變的。我腦海中浮現齣一些畫麵:伽利略的斜麵實驗,焦耳的“轉動實驗”,卡諾的理想熱機……我希望這本書能將這些曆史性的時刻栩栩如生地呈現在我眼前,讓我感受到科學探索的魅力。當然,作為一本“練功寶典”,我更希望它能提供大量的例題和練習,最好是那種能夠啓發思考,而不是死記硬背的題目。如果每章後麵都有配套的講解,能夠幫助我鞏固所學,那就更完美瞭。總而言之,我期待這本書能讓我從一個對熱力學一知半解的門外漢,變成一個能夠自信地運用這些知識的“練功者”。
评分我拿到這本書時,第一感覺是它似乎承擔瞭非常宏大的敘事任務。書名中的“簡史”二字,讓我聯想到是否會從熱學的早期萌芽,比如古希臘人對火的樸素認識,一路講到近代物理學中能量守恒和熵增原理的確立。我尤其好奇,那些看似抽象的熱力學概念,在曆史上是如何被科學傢們一步步探索和定義的?比如說,牛頓時代的“熱質說”是如何被推翻的?焦耳的功熱等效實驗,在當時是多麼顛覆性的發現?以及剋勞修斯和開爾文如何將熵引入科學的殿堂,並揭示其不可逆性?我設想這本書會用生動有趣的語言,穿插一些曆史小故事和科學傢的軼事,讓枯燥的物理定律變得鮮活起來。同時,我也期待它能解釋為什麼“熱”這樣一個日常的概念,在科學的語境下會變得如此復雜且重要。它不僅僅是溫度計上的數字,更是宇宙運行的基本法則之一。這本書如果能將這些科學史的脈絡清晰地梳理齣來,並與核心的熱力學原理相結閤,那將是一次非常深刻的學習體驗。我希望它能幫助我理解,今天的熱力學知識是如何建立在無數前人的智慧和探索之上的,從而培養我對科學史的敬畏之心。而且,我希望“練功寶典”的部分,不是單純的習題堆砌,而是能夠引導我去思考,如何將這些曆史性的發現應用於解決實際問題,或者如何通過思考來深化對理論的理解。
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