物理化學:(熱力學與動力學篇) 

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黃定加
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圖書描述

  本書中之論述力求簡明扼要、循序漸進,且於書中多舉例題以提昇學習的效果,並於各章的後麵均附習題,以備讀者自行研習解答,增進對於有關理論的瞭解。本書中之專有名詞的後麵,均附其對照的英文名詞。本書的內容適閤作為一般大學及科技大學之化學、化學工程、環境工程、材料科技、生化科技與醫藥學係及相關研究所之物理化學及相關課程的教材,亦可作為從事上述各領域之研究及工作人員的參考書。本書所包括的內容較多、範圍較廣且較深入,教師可配閤係所之發展重點及需要,自行選擇適閤的章節內容講授。

本書特色

  1.本書中之論述力求簡明扼要、循序漸進,且於書中多舉例題以提昇學習的效果,並於各章的後麵均附習題,以備讀者自行研習解答,增進對於有關理論的瞭解。

  2.本書的內容適閤作為一般大學及科技大學之化學、化學工程、環境工程、材料科技、生化科技與醫藥學係及相關研究所之物理化學及相關課程的教材,亦可作為從事上述各領域之研究及工作人員的參考書。

  3.本書所包括的內容較多、範圍較廣且較深入,教師可配閤係所之發展重點及需要,自行選擇適閤的章節內容講授。
現代材料科學前沿:從微觀結構到宏觀性能的調控 本書概述: 《現代材料科學前沿:從微觀結構到宏觀性能的調控》是一本深度聚焦於當代材料科學研究熱點與發展趨勢的專業著作。全書係統梳理瞭構成現代工程與技術基石的各類先進材料,並深入剖析瞭連接材料微觀結構(原子、晶格、缺陷)與宏觀可觀察性能(力學、電學、光學、熱學)之間的復雜關聯與調控機製。本書旨在為高年級本科生、研究生以及從事材料研發和應用領域的工程師和科研人員提供一個全麵、深入且具有前瞻性的知識框架。 第一部分:材料科學的基石與新範式 第一章:材料科學的學科交叉與研究方法論 本章首先迴顧瞭材料科學從傳統冶金、陶瓷、高分子科學發展而來的曆史脈絡,強調其作為物理學、化學、工程學、數學等多學科交叉融閤的本質。隨後,重點闡述瞭現代材料研究的三大支柱:實驗錶徵、計算模擬和理論建模。詳細介紹瞭先進的微區分析技術,如高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)、同步輻射光源下的X射綫衍射(XRD)與散射技術(SAXS/WAXS),以及二維材料光譜分析技術(如拉曼光譜、光電子能譜)。同時,探討瞭密度泛函理論(DFT)在預測材料電子結構和穩定相方麵的應用,並引入瞭機器學習(Machine Learning)和人工智能(AI)在材料數據挖掘和“逆嚮設計”中的新興作用。 第二章:晶體結構、缺陷工程與本徵性能 本章聚焦於固體材料的微觀有序性——晶體結構。詳細闡述瞭布拉維點陣、晶體學符號、晶體對稱性及其對宏觀各嚮異性的影響。核心內容聚焦於“缺陷工程”。我們不再將晶體缺陷(點缺陷、綫缺陷、麵缺陷)視為“不完美”,而是將其作為調控材料性能的關鍵手柄。深入分析瞭空位、間隙原子、位錯在擴散、塑性變形和電荷傳輸中的作用。特彆討論瞭如何通過精確控製摻雜濃度和熱處理工藝來“定製”半導體和陶瓷的本徵電學和機械性能。 第二部分:先進結構材料的性能調控 第三章:高性能結構金屬的強韌化機製 本部分將視角轉嚮工程應用最廣泛的金屬材料。本章深入探討瞭現代結構鋼、鋁閤金、鈦閤金及高熵閤金(HEAs)的最新進展。重點闡述瞭通過細化晶粒(Hall-Petch效應的局限性與修正)、第二相粒子析齣強化(如GP區、$ heta'$相的析齣動力學)以及位錯-孿晶界協同強化機製。高熵閤金部分,側重於其獨特的“高熵效應”、“遲滯性變形”和“無序局域結構”,以及如何利用其超高的熱穩定性和抗輻照損傷能力。 第四章:陶瓷與復閤材料的功能化結構設計 本章探討瞭在極端環境下運行所需的先進陶瓷和復閤材料。對於結構陶瓷(如SiC、Al2O3),重點分析瞭其脆性本質,以及通過引入晶界工程(如晶界網絡結構的設計)和縴維增韌技術(如C/C復閤材料)來提高斷裂韌性的途徑。在復閤材料方麵,詳細比較瞭顆粒增強、縴維增強和層狀增強的力學耦閤模型。特彆關注瞭功能梯度材料(FGM)的設計原理,即如何通過材料組成或微結構的連續梯度變化來應對熱應力或界麵應力集中的問題。 第三部分:功能材料的量子與界麵效應 第五章:半導體物理與下一代電子材料 本章是關於信息技術核心——半導體材料的深度剖析。從能帶理論、有效質量、摻雜與載流子輸運機製入手,係統闡述瞭PN結、晶體管的工作原理。隨後,將重點轉嚮新興半導體領域: 1. 二維材料(2D Materials): 石墨烯、過渡金屬硫化物(TMDs)的電子結構,及其在超薄器件、柔性電子中的應用潛力。 2. 拓撲材料: 拓撲絕緣體和拓撲半金屬的奇特錶麵態和自鏇-動量鎖定效應,及其在低功耗計算中的前景。 第六章:能源轉換材料:儲能與催化 本章聚焦於解決能源危機相關的關鍵材料,涵蓋電化學儲能和光電催化: 1. 鋰離子電池(LIBs)的界麵化學: 重點分析固態電解質界麵(SEI)的形成與演變,以及新型高電壓正極材料(如富鋰錳基、鎳鈷錳酸鹽)的結構穩定性問題。 2. 燃料電池與電催化: 深入探討貴金屬催化劑(如Pt)的錶麵原子結構與反應動力學之間的關係,以及如何通過構建非貴金屬催化劑(如N摻雜碳材料)來優化氧還原反應(ORR)的性能。 第七章:智能與響應性材料 本章探討那些能夠對外界刺激(光、電、熱、磁、力)産生顯著可逆響應的材料。 1. 磁性材料與自鏇電子學: 介紹瞭巨磁阻效應(GMR)、隧道磁阻效應(TMR)及其在磁存儲器中的應用。深入探討瞭鐵磁性與反鐵磁性材料的切換機製。 2. 壓電、熱電材料: 詳細闡述瞭材料的機電耦閤係數和塞貝剋係數的優化策略,即如何通過結構畸變和載流子有效質量調控來提高能量轉換效率。 3. 形狀記憶閤金與自修復材料: 探討瞭馬氏體相變驅動的宏觀可逆形變機製,以及高分子基體中通過微膠囊釋放修復劑的自修復技術。 總結與展望: 本書在最後部分總結瞭當前材料科學麵臨的主要挑戰,包括極端條件下的可靠性、量子效應在宏觀尺度上的精確控製、以及如何加速從基礎發現到工程應用的“材料創新循環”。本書強調瞭跨尺度、跨學科的綜閤研究方法是推動下一代先進材料技術突破的關鍵所在。

著者信息

圖書目錄

第一章 緒論
1-1 物理化學之由來
1-2 物理化學的課題
1-3 如何學習物理化學
1-4 SI製的單位及其誘導的單位
1-5 輔屬單位

第二章 氣體及狀態的方程式
2-1 理想氣體
2-2 氣體常數
2-3 混閤的理想氣體
2-4 真實氣體
2-5 狀態的方程式
2-6 臨界常數
2-7 凡得瓦的狀態式
2-8 維裏方程式
2-9 分子間的相互作用
2-10 真實氣體之其他的狀態式
2-11 對應狀態的原理

第三章 熱力學第一定律
3-1 係統與外界
3-2 係統之特性
3-3 程序或過程
3-4 內能
3-5 功
3-6 焦耳的實驗
3-7 熱量
3-8 熱力學第一定律
3-9 可逆過程
3-10 真液體的可逆氣化
3-11 理想氣體的可逆等溫膨脹
3-12 焓
3-13 熱容量
3-14 氣體之熱容量
3-15 固體之熱容量
3-16 氣體之可逆絕熱膨脹
3-17 焦耳−湯木生效應
3-18 熱化學
3-19 生成的焓值
3-20 溶液反應之焓值的變化
3-21 離子之生成的焓值
3-22 溫度對於反應的焓值之影響

第四章 熱力學第二及第三定律
4-1 自發與非自發變化
4-2 卡諾熱機
4-3 卡諾冷凍機與卡諾抽熱機
4-4 熱力學第二定律
4-5 卡諾原理
4-6 熱力溫度
4-7 熵
4-8 剋勞秀士定理
4-9 可逆過程之熵值的變化
4-10 溫度與容積對於熵值之影響
4-11 溫度與壓力對於熵值之影響
4-12 不可逆過程之熵值的變化
4-13 混閤理想氣體之熵值
4-14 熵值與統計的或然率
4-15 混閤的熵值之統計的詮釋
4-16 熱力學第三定律
4-17 熵值之卡計的測定
4-18 化學反應的熵值變化

第五章 熱力學之基本式
5-1 平衡之準據
5-2 恆溫恆壓之平衡的準
5-3 密閉係之基本式
5-4 馬剋士威關係
5-5 狀態之熱力的方程式
5-6 溫度對於吉布士能的影響
5-7 壓力對於吉布士能的影響
5-8 理想氣體之各熱力量
5-9 逸壓
5-10 開放係之基本式
5-11 部分莫耳量
5-12 吉布士−杜漢式
5-13 混閤的理想氣體之各熱力量
5-14 活性度

第六章 一成分係之相平衡
6-1 相平衡之準據
6-2 相律
6-3 一成分係之相圖
6-4 一成分係內的相之穩定性
6-5 較高次級的相轉移
6-6 剋拉斐隆式
6-7 剋勞秀士−剋拉斐隆式
6-8 蒸發

第七章 多成分係之相平衡
7-1 Raoult定律
7-2 理想的溶液
7-3 二成分係之氣−液相平衡
7-4 非理想的溶液之蒸氣壓
7-5 亨利定律
7-6 二成分的液體溶液之沸點圖
7-7 分餾
7-8 水蒸氣蒸餾
7-9 活性度係數
7-10 二成分的液體溶液之活性度係數的計算
7-11 由於非揮發性溶質之蒸氣壓的下降
7-12 溶液之沸點上升
7-13 含固相與液相之二成分係
7-14 吉布士能−組成的麯線與相圖
7-15 理想溶解度
7-16 凝固點下降
7-17 滲透壓
7-18 聚閤物之滲透壓
7-19 複閤物的形成
7-20 固熔體
7-21 固−氣平衡
7-22 二成分係之液−液平衡
7-23 三成分係
7-24 含固相之三成分係

第八章 化學平衡
8-1 化學反應之可逆性
8-2 一般平衡式之誘導
8-3 氣體反應之平衡常數
8-4 簡單的氣體反應之熱力學
8-5 平衡常數之測定
8-6 一些氣體反應之平衡常數
8-7 標準生成Gibbs能
8-8 壓力對氣體反應的影響
8-9 初組成及鈍性的氣體對氣體反應的影響
8-10 溫度對平衡常數的影響
8-11 非均勻係之化學平衡
8-12 溶液內的化學平衡
8-13 非理想混閤氣體內的化學平衡
8-14 平衡常數之理論的計算

第九章 電化學平衡
9-1 電場強度及電位
9-2 電化電位
9-3 電化電池
9-4 電池的電動勢之量測
9-5 電池的錶記法
9-6 電化電池之基本式
9-7 電解質之活性度
9-8 離子強度
9-9 Debye-Hückel理論
9-10 鹽酸之活性度係數的測定
9-11 電化電池之熱力學
9-12 電極電位
9-13 電化電池及電極反應的習慣錶示法
9-14 由電池之電動勢的溶解度積之測
9-15 濃差電池
9-16 pH之測定
9-17 蓄電池
9-18 燃料電池
9-19 極化
9-20 分解電壓
9-21 極譜儀法
9-22 過電壓或過電位
9-23 膜電位

第十章 離子平衡及生化反應平衡
10-1 弱酸之解離
10-2 弱鹼之解離
10-3 弱酸與弱鹼實際之計算
10-4 離子強度對解離常數的影響
10-5 二氧化碳、碳酸、及碳酸氫離子的熱力學
10-6 微觀解離常數與巨觀解離常數間的關係
10-7 多質子酸之滴定
10-8 錯離子之解離常數
10-9 多質子酸內之統計的效應
10-10 生化反應之熱力學
10-11 三磷酸腺苷及其相關物質之酸解離常數及錯閤離子解離常數
10-12 肌紅素與氧的結閤
10-13 血紅素與氧的結閤

第十一章 界麵及膠體化學
11-1 錶麵張力
11-2 錶麵張力之測定
11-3 橫穿麯麵的壓力降
11-4 壓力及液麵的彎麯對於蒸氣壓的影響
11-5 接觸角與粘著
11-6 潤濕
11-7 溶液之錶麵張力
11-8 錶麵濃度
11-9 吉布士的吸附式
11-10 鹽酸之活性度係數的測定
11-11 錶麵的薄膜
11-12 二次元的完全氣體法則
11-13 固體的吸附
11-14 Freundlich吸附等溫式
11-15 Langmuir吸附等溫式
11-16 BET多層吸附理論
11-17 多孔性固體上的吸附
11-18 層析法
11-19 膠體
11-20 溶膠
11-21 凝膠
11-22 乳膠或乳液
11-23 疏媒性膠體之穩定性
11-24 電泳動
11-25 電滲透

第十二章 氣體的動力論
12-1 波爾子曼分佈
12-2 理想氣體之壓力
12-3 於一方嚮之分子的速度分佈
12-4 分子的速率之馬剋士威爾分佈
12-5 分子之平均速率
12-6 氣體內之分子的碰撞
12-7 平均自由徑
12-8 分子與錶麵的碰撞或從孔洞之逸齣
12-9 氣體內之輸送現象
12-10 輸送係數

第十三章 氣相反應動力學及基本的關係
13-1 反應速率
13-2 反應速率之測定
13-3 反應速率式
13-4 第一級反應
13-5 第二級反應
13-6 第三級反應
13-7 零級反應
13-8 分數級及第n級反應
13-9 反應速率式的決定
13-10 可逆反應
13-11 平行的第一級反應
13-12 連續的第一級反應
13-13 詳細的平衡之原理
13-14 溫度對於速率常數之效應
13-15 活化能
13-16 相化學反應之機製
13-17 正嚮與反嚮的反應之速率常數間的關係
13-18 單一分子的反應
13-19 二分子的反應
13-20 二分子的反應之碰撞理論
13-21 位能麯麵
13-22 遷移狀態理論
13-23 三分子的反應
13-24 非分枝的鏈鎖反應
13-25 分枝的鏈鎖反應
13-26 觸媒反應
13-27 非均勻的觸媒反應

附錄一 物理化學常用之數學公式
附錄二 一些物質之熱力性質
附錄三 物理常數值、轉換因子及字首
附錄四 各種能量單位之轉換因子
附錄五 化學元素及其相對原子量
附錄六 嚮量
附錄七 稀薄溶液內的離子i之活性度係數γi之誘導

中英名詞索引

圖書序言

  • ISBN:9789865034115
  • 叢書係列:大專化學
  • 規格:平裝 / 664頁 / 19 x 26 x 3.32 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

用户评价

评分

我記得我當初翻閱這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》的時候,印象最深刻的是它對於「可逆性」的哲學探討。熱力學第一定律和第二定律的基礎假設,這本書沒有像其他教材那樣隻是快速帶過,而是用非常學術化的語言,去闡述能量守恆和熵增的根本差異,這對建立穩固的物理化學世界觀非常重要。那種將宏觀現象追溯到微觀統計物理基礎的努力,讓我覺得這不隻是一本解題指南,更像是一本思想啟發錄。翻到動力學部分,關於活化能(Activation Energy)的討論,書中並沒有停留在阿瑞尼斯(Arrhenius)公式的錶層,而是深入到過渡態理論(Transition State Theory, TST)的細節,對統計力學如何應用於計算反應速率常數的過程,解釋得非常透徹,甚至連碰撞理論(Collision Theory)和TST之間的互補與差異都有詳細的比較。這本書的圖錶繪製質量也很高,很多複雜的能量麵圖,配上清晰的文字註解,比起其他原文書的翻譯版,本土化的錶達方式更貼近我們的學習習慣,讀起來非常順暢,儘管內容深度要求很高,但閱讀體驗卻是上乘的。

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說實話,當初會購入這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》純粹是為瞭應付一個非常難搞的專題研究方嚮。這本書的優勢在於它對「過程」的描述極其細膩。舉例來說,在處理化學熱力學的電化學部分,它對能斯特方程式(Nernst Equation)的推導,不僅考慮瞭標準狀態,還詳細分析瞭各種非標準條件下,電化學電池的吉布斯能變化如何與濃度和溫度掛鉤,這對於在不同環境下進行電化學測量時,是極為關鍵的理論依據。再來,動力學方麵,對流體動力學效應在反應速率上的影響,雖然隻是附帶提及,但其引用的文獻和簡要的修正模型,已經足夠讓人知道在真實反應器中,擴散速率可能成為限製步驟,這提醒瞭我們不能隻用均相反應的理論去套用所有實際情況。這本書的章節安排邏輯性很強,從平衡到非平衡的過渡非常自然,就像是攀岩,每一步都有穩固的立足點,雖然最終要到達頂端需要極大的耐力,但路徑規劃得非常好,讓人知道自己下一步該往哪裡走。

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這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》光是書名就讓人感受到那種厚重且紮實的學術氣息,拿到書的時候,第一個感覺就是「這下有得啃瞭」。內容編排上,感覺作者在處理熱力學這塊時,用瞭非常詳盡的推導過程,對於像我這種數學基礎不是頂尖,但又想把觀念搞通的學生來說,初看可能會覺得有點吃力,畢竟公式推導一步一步來,中間的邏輯鏈條抓不好,後麵就容易斷鏈。但仔細跟著走過幾遍後,會發現這種钜細靡遺的解釋,正是它最大的優點。尤其是關於熵(Entropy)的介紹,課本通常會用比較抽象的方式帶過,但這本書似乎花瞭更多篇幅去連結微觀統計力學的觀點,讓原本隻是一個「狀態函數」的概念,變得稍微可以觸摸到實體的意義。動力學的部分,對反應速率常數的溫度依賴性那塊著墨不少,平衡常數和速率常數之間的關係闡釋得很清楚,這對實驗設計非常有幫助,不會讓你隻是背公式,而是理解為什麼某些反應在特定溫度下就是跑不快。整體來說,它不是一本讓你輕鬆入門的書,比較像是一個導師,會在你迷惘時,把所有細節攤開來給你檢視。

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這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》給我的感覺,就像是學術界的一麵明鏡,它毫不留情地展示瞭物理化學知識體係的完整性與複雜性。讀起來的感受是,它對概念的界定非常嚴格,沒有太多「大概」、「或許」的模糊地帶。例如在討論熱化學數據時,對測量誤差和數據標準化的要求極高,這對於從事精確測量工作的人來說,是非常實用的指導。動力學這一塊,它對活化絡閤物理論(Activated Complex Theory, ACT)的闡述,比起其他教科書,更側重於量子化學的基礎,如何將分子振動和轉動的配分函數(Partition Function)引入到速率常數的計算中,這個層次是遠超一般大學課程的。雖然書裡頭的習題難度偏高,很多都需要多個章節的知識融會貫通纔能解齣來,但正是這種挑戰性,纔讓真正掌握知識的過程變得有價值。它不是那種讓你快速「學會」物理化學的工具書,而是一本引導你「深入思考」物理化學本質的深度讀物。

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說真的,拿到這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》的時候,我第一個念頭是:這大概是為準備研究所考試的戰士們設計的吧?內容的深度絕對不是大學部基礎課本能比擬的。它在處理相平衡那塊,簡直是把吉布斯自由能的魔力發揮到極緻,從單一組分到多組分體係的活度(Activity)處理,那種嚴謹度,讓我對好幾年前學過的基礎知識又有瞭全新的認識。特別是涉及非理想溶液,對愛因斯坦(Einstein)的某些修正公式的引用,非常到位,這在一般的教科書裡頭,通常隻會點到為止,但這本書直接把相關的實驗數據和理論模型做瞭對照分析,對於想做進階研究的人來說,這部分資料的價值極高。動力學方麵,對複雜反應機構(如連鎖反應、催化反應)的處理,清晰度相當高,它不隻是給齣定態近似(Steady-state approximation)的結果,還會討論這個近似在什麼條件下會失效,這份對近似條件的敏感度分析,讓我對化學反應的動態過程有瞭更審慎的態度。總體而言,這本書的編排結構非常適閤做為進階的參考書,內容精煉,邏輯跳躍度偏高,需要讀者本身已經具備相當的基礎盤。

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