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出版者:高等教育齣版社

作者:秦允豪

出品人:

頁數:276

译者:

出版時間:2012-2

價格:26.20元

裝幀:

isbn號碼:9787040341089

叢書系列:“十二五”普通高等教育本科國傢級規劃教材

圖書標籤:

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熱學：從微觀粒子到宏觀世界的能量律動 熱學，作為物理學領域中不可或缺的重要分支，它所揭示的正是宇宙萬物最基本的運行規律之一——能量的傳遞與轉化。從微觀粒子的無規則運動，到宏觀世界的宏偉景象，熱學以其深刻的洞察力，描繪瞭一幅關於“熱”的壯麗畫捲。本書旨在為您係統地闡述熱學的核心概念、基本原理及其廣泛的應用，帶領您深入理解物質世界為何如此運轉，為何能量能夠以各種形式存在與流動，以及這些過程如何深刻地影響著我們的生活和整個宇宙。 我們首先將目光投嚮構成物質的基本單元——原子和分子。在熱學的視野下，這些微觀粒子並非靜止不動，而是時刻處於永不停歇的隨機運動之中。我們稱之為“熱運動”。這種無規則的運動，其劇烈程度與物質的溫度息息相關。溫度，這個我們日常生活中再熟悉不過的概念，在熱學中被賦予瞭精確的物理意義：它是衡量物體內部分子平均動能的尺度。溫度越高，分子的平均動能越大，熱運動越劇烈。正是這種微觀層麵的動態，構成瞭我們感知到的“熱”的本質。 本書將帶領您探究三種基本的熱傳遞方式：熱傳導、對流與輻射。 熱傳導，是能量通過物質內部相鄰粒子間的碰撞和振動而傳遞的過程。想象一下，當您用手觸摸一杯熱水時，手會感到溫暖，這是熱量從熱水傳遞到手部。在固體中，熱傳導主要通過晶格振動和自由電子的移動來實現；而在液體和氣體中，分子的碰撞則扮演著更重要的角色。本書將深入分析不同材料的導熱性能，區分良導體與絕緣體，並探討影響熱傳導效率的因素，例如材料的種類、溫度梯度以及物質的截麵積和長度。我們將通過具體的計算和實例，展示如何量化熱傳導的速率，並理解例如鍋具、保溫杯等日常用品的設計原理如何巧妙地運用瞭熱傳導的規律。 對流，是另一種重要的熱傳遞方式，它發生在流體（液體和氣體）之中。當流體的一部分受熱時，其密度會減小，在重力作用下嚮上運動；而密度較大的冷流體則會嚮下填充，形成持續的循環。這種循環流動，我們稱之為“對流”。它在自然界和工程領域中扮演著至關重要的角色。例如，大氣環流、海洋洋流以及我們房間裏的空調係統，都是對流現象的生動體現。本書將詳細闡述對流的機製，區分自然對流與強製對流，並介紹相關的控製方程，幫助您理解為何風會吹，水會流動，以及如何設計高效的加熱和冷卻係統。 輻射，是能量以電磁波的形式進行傳遞，它不需要介質，可以在真空中傳播。我們從太陽獲得的溫暖，正是通過輻射傳遞到地球的。所有高於絕對零度的物體都會嚮外輻射能量，其輻射能力與物體的溫度、錶麵積以及錶麵性質有關。本書將深入探討黑體輻射的規律，引入普朗剋公式，解釋為何經典物理學在解釋黑體輻射時會失效，以及量子力學如何成功地解決瞭這一難題。我們將分析不同物體錶麵的輻射特性，理解例如太陽能電池、紅外測溫儀等設備的工作原理，並探討宇宙尺度的熱輻射現象，如宇宙微波背景輻射。 在理解瞭熱的傳遞之後，我們進一步深入到熱力學的核心領域。熱力學是研究能量轉換和物質性質之間關係的學科，它以一係列基本定律為基礎，構築瞭我們理解宏觀世界能量行為的框架。 熱力學第一定律，是能量守恒定律在熱學中的體現。它告訴我們，能量既不會憑空産生，也不會憑空消失，隻會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個係統傳遞到另一個係統。當係統發生狀態變化時，其內能的變化量等於係統吸收的熱量與係統對外做的功之差。本書將通過生動的例子，如蒸汽機的運行、內燃機的做功過程，來闡述第一定律的應用。我們將分析功和熱的定義，理解其在不同過程中的錶現，並學習如何運用第一定律來分析和預測能量的轉化效率。 熱力學第二定律，則更為深刻地揭示瞭自然界過程的方嚮性。它告訴我們，在孤立係統中，總是傾嚮於嚮著混亂度增加的方嚮發展，也就是說，熵（entropy）總是增加的。熵是衡量係統無序程度的物理量。任何自發過程都伴隨著熵的增加，例如，一杯墨水滴入清水中會逐漸擴散，最終顔色均勻，這是一個熵增的過程。第二定律也意味著，將熱能完全轉化為功是不可能的，總會有一定量的能量以熱的形式耗散掉。本書將詳細闡述熵的概念，解釋其統計力學意義，並探討第二定律在化學反應、生物過程以及宇宙演化中的普遍性。我們將分析卡諾循環，理解熱機的效率極限，並探討第二定律對我們理解時間箭頭的意義。 熱力學第三定律，則定義瞭熵的絕對零點。它指齣，當溫度趨於絕對零度（0開爾文）時，任何完美晶體的熵趨於零。這一定律為熵的計算提供瞭基準，也進一步加深瞭我們對絕對零度的理解。 除瞭熱力學基本定律，本書還將深入探討理想氣體狀態方程。我們知道，氣體的宏觀性質（如壓強、體積、溫度）之間存在著密切的聯係。理想氣體狀態方程，即PV=nRT，精確地描述瞭理想氣體的這些宏觀性質之間的定量關係。我們將探討該方程的推導過程，理解其中各個變量的物理意義，並學習如何運用它來解決與氣體相關的各種問題，例如計算氣體膨脹或壓縮時的功，分析不同條件下氣體的狀態變化。 同時，我們也將觸及物態變化的規律。物質的存在形式並非一成不變，它們可以從固態、液態、氣態之間相互轉化。這些相變過程往往伴隨著吸熱或放熱，例如，水結冰吸熱，水蒸發吸熱。本書將深入分析相變的微觀機製，理解融化、凝固、汽化、液化、升華和凝華等過程的特點，並探討影響相變發生的條件，例如壓強和溫度。我們將介紹相圖，幫助您理解不同相態在不同條件下的穩定性。 此外，本書還將涉足熱容和潛熱的概念。熱容是物質吸收或放齣單位溫度時所需的能量，它反映瞭物質抵抗溫度變化的能力。潛熱則是在物態變化過程中，物質吸收或放齣而不改變溫度的能量。理解這兩個概念對於分析和計算熱量傳遞過程中溫度和狀態的變化至關重要。 最後，本書將強調熱學原理在實際應用中的廣泛性。從我們身邊的供暖係統、製冷設備，到工業生産中的鍋爐、發動機，再到天體物理學中的恒星演化，乃至生命的起源和發展，熱學無處不在。我們將通過一係列具有啓發性的案例研究，展示熱力學定律如何指導我們設計更高效、更節能的設備，如何解釋自然界的宏觀現象，以及如何為未來的科技發展提供理論基礎。 閱讀本書，您將不僅僅是獲得一係列物理知識，更重要的是，您將學會用一種全新的視角來審視我們所處的世界。您將理解，看似平凡的“熱”，實則蘊含著宇宙最深刻的規律，驅動著萬物的運行與演化。我們相信，通過對本書內容的深入學習，您將能夠建立起一套嚴謹的科學思維，並對我們身處的美妙而充滿活力的宇宙，産生更深層次的認識和敬畏。

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這部關於熱學的教程讀下來，感覺作者的敘述方式如同在進行一場嚴謹的學術漫談，每一個概念的引入都伴隨著詳盡的背景鋪墊和數學推導。尤其是在處理熵增原理和熱力學第二定律時，那種層層遞進、不容置疑的邏輯鏈條，讓人不得不佩服其對物理圖像的構建能力。我個人非常欣賞它對微觀粒子行為與宏觀熱力學現象之間聯係的闡述，比如，通過統計力學的方法來解釋布朗運動，那種從細微處洞察宇宙規律的感覺，簡直是醍醐灌頂。不過，對於初學者來說，中間穿插的大量積分和微分方程可能會構成不小的挑戰，需要讀者具備紮實的微積分基礎。書中對理想氣體模型和真實氣體差異的討論非常到位，特彆是範德華方程的引入和分析，展示瞭物理模型是如何從理想走嚮現實的，這種對理論局限性的坦誠剖析，是很多教科書所欠缺的。如果說有什麼遺憾，或許是在實際應用案例的豐富性上略顯不足，更多地偏嚮於理論的深度挖掘，而不是廣度的拓展。總體而言，這是一本適閤有一定基礎、希望深入理解熱力學核心思想的讀者的優秀參考書。

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這本書在講解熱力學基本關係式時，采取瞭一種非常“機械化”的結構，如同精密儀器的裝配說明書。它的優點在於無懈可擊的係統性，從熱力學第一定律齣發，通過一係列巧妙的數學操作（比如引入麥剋斯韋關係式），將內能、焓、自由能等一係列狀態函數串聯起來，形成一個嚴密的網絡。我個人對於它如何用“勢能”的概念來統一處理化學平衡和相平衡的章節印象深刻，這體現瞭熱力學作為一門普適性學科的強大力量。它似乎在告訴你：無論你麵對的是蒸汽的膨脹還是溶液的蒸發，底層的驅動力都是一樣的——能量的最小化和熵的增加。書中對實驗數據的引用也相當剋製和精準，很少有誇張的描述，一切都基於可驗證的物理量和方程。這本書的風格就是：少說廢話，多算多證。如果你追求的是無可辯駁的邏輯推導和對基本原理的徹底掌握，這本書無疑是極好的選擇。

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閱讀這本書的過程，我體驗到瞭一種對“熱”這個概念的徹底解構與重塑。它不像某些現代教材那樣試圖用花哨的圖錶來吸引眼球，而是專注於用最簡潔、最本質的語言去描繪物理實在。我特彆欣賞它對“過程”的強調，很多熱力學問題之所以難，就在於忽略瞭過程的不可逆性。這本書通過對卡諾循環的反復剖析，並將其推廣到更一般的不可逆過程中，清晰地界定瞭“做功的極限”在哪裏。它對氣體動力學理論的介紹也顯得非常紮實，從分子碰撞的統計規律到宏觀壓強的建立，每一步都充滿瞭嚴密的概率論支撐。這種自下而上的構建方法，讓人對氣體狀態的理解不再停留在錶麵的“P、V、T”關係上，而是真正理解瞭內部微觀粒子的運動狀態。讀完後，你會覺得對“溫度”這個概念的理解也上升到瞭一個新的層次，它不再僅僅是一個刻度，而是衡量係統微觀無序程度的量度。這是一本需要耐心啃讀、但迴報巨大的經典之作。

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老實說，這本書的閱讀體驗更像是在攀登一座陡峭的山峰，沿途風景絕美，但每一步都走得格外費力。我特彆喜歡它在處理熱輻射部分時的那種精雕細琢。從黑體輻射的實驗觀察，到維恩位移定律和瑞利-金斯定律的得齣，再到普朗剋量子假設的“被迫”引入，整個推導過程如同一個懸疑故事的展開，每一步的邏輯推理都緊緊抓著讀者的心。作者巧妙地將曆史背景融入到公式的推導中，讓你清晰地看到物理學傢們在麵對實驗數據與經典理論矛盾時那種焦慮和突破。這種將物理學史和理論發展交織在一起的處理方式，極大地提升瞭閱讀的趣味性，避免瞭純粹公式堆砌帶來的枯燥感。然而，對於一些習慣瞭現代符號和簡潔錶述的讀者，這本書早期的某些錶述方式可能會顯得略微繁瑣，需要時間去適應其獨特的行文節奏。但一旦適應瞭，你會發現其中蘊含的物理洞察力是多麼的深刻和醇厚。

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翻開這本書，首先映入眼簾的是那種撲麵而來的“老派”物理學傢的嚴謹與厚重感。它的文字風格極其內斂，幾乎沒有多餘的抒情，每一個句子都像是在精確測量後纔寫下的，充滿瞭物理學的確定性。我特彆關注瞭關於熱傳導的章節，作者並沒有簡單地羅列傅裏葉定律，而是花瞭大量的篇幅去追溯其曆史淵源以及在不同介質中的邊界條件處理。這讓我仿佛置身於一個早期物理學傢的研究室裏，親手去搭建實驗模型、去思考如何量化那些看不見的能量流動。書中對相變的描述尤為精彩，它沒有止步於課本上簡單的凝固點和沸點，而是深入探討瞭相圖的構建原理以及臨界現象的奇異行為，那些關於二級相變和朗道理論的初步介紹，雖然有些晦澀，但無疑是通往更深奧物理世界的橋梁。閱讀過程需要極高的專注度，因為它要求你不僅要理解“是什麼”，更要理解“為什麼是這樣”的數學和邏輯必然性。這本書更像是給那些想把熱力學當成一門“藝術”來鑽研的深度學習者準備的。

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