具体描述
"Phase Change Materials: Science and Applications" provides a unique introduction of this rapidly developing field. Clearly written and well-structured, this volume describes the material science of these fascinating materials from a theoretical and experimental perspective. Readers will find an in-depth description of their existing and potential applications in optical and solid state storage devices as well as reconfigurable logic applications. Researchers, graduate students and scientists with an interest in this field will find "Phase Change Materials" to be a valuable reference.
《热力学原理与应用》 内容梗概 《热力学原理与应用》是一部深度探讨热力学基本定律、核心概念及其在工程、科学和社会各个领域广泛应用的权威著作。本书旨在为读者构建坚实的热力学理论基础，并展示如何将这些抽象的科学原理转化为解决实际问题的有力工具。从微观粒子的运动规律到宏观系统的能量转化，本书全面梳理了热力学发展的脉络，并结合前沿的研究进展，呈现了一个动态且充满活力的学科图景。 第一篇：热力学的基本原理 本篇聚焦于热力学最 foundational 的部分，旨在让读者透彻理解驱动能量转化和物质状态改变的根本法则。 第一章：热力学的引入与基本概念 本书的开篇将带领读者走进热力学的世界。我们将从宏观的视角出发，介绍热力学所研究的对象——系统（system）、环境（surroundings）以及它们之间的界限——壁（boundary）。接着，我们将深入探讨各种重要的状态函数（state functions），如温度（temperature）、压力（pressure）、体积（volume）和内能（internal energy），阐明它们如何描述一个系统的宏观状态。特别是，本书将详细介绍温度作为衡量物体冷热程度的物理量，以及它在不同温标（如摄氏温标、华氏温标、开尔曼温标）下的表示方法及其相互转换。压力将被理解为单位面积上所受的力，其在流体静力学和气体动力学中的作用将被揭示。体积则被视为系统占据的空间。内能作为一个核心概念，将被定义为系统内所有微观粒子动能和势能的总和，并强调其作为状态函数的性质。此外，本章还将初步介绍功（work）和热（heat）这两个重要的能量传递形式，并阐明它们与系统内能变化的关系，为后续章节的深入讨论奠定基础。 第二章：第一定律：能量守恒 第一定律是热力学体系的基石，它陈述了能量的转化与守恒。本书将详细阐释第一定律的数学表达式，即 ΔU = Q - W，其中 ΔU 代表系统内能的变化，Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统对外做的功。我们将深入分析功的几种基本形式，包括体积功（PV功）、非体积功（如电功、化学功），并探讨它们与系统状态变化的联系。例如，在气体膨胀过程中，系统对外做功，其内能可能增加、减少或保持不变，这取决于吸收或放出的热量。本书还将探讨第一定律在不同过程中的应用，如等温过程、绝热过程、定容过程和定压过程，并分析在这些过程中内能、热量和功的特定关系。通过大量的实例分析，如发动机的工作原理、制冷循环等，读者将深刻理解能量在转化过程中总量守恒的普遍性。 第三章：第二定律：熵与过程的方向 如果第一定律告诉我们能量可以相互转化，那么第二定律则指明了能量转化的方向以及过程的自发性。本章将引入熵（entropy）这一关键概念，它是衡量系统无序度或混乱度的指标。我们将从统计力学的角度，解释熵的微观起源，即分子运动的随机性和概率。本书将详细阐述第二定律的几种表述形式，包括克劳修斯表述（熵增原理）和开尔文-普朗克表述（热机效率的限制）。通过分析孤立系统的熵总是趋于增加的趋势，我们将理解自然界中许多过程的不可逆性。例如，热量总是自发地从高温物体流向低温物体，扩散过程也是不可逆的。我们将探讨熵在不同过程中的变化，以及如何利用熵来判断一个过程是否可能自发进行。此外，本书还将讨论功的最大利用率问题，以及第二定律对能量利用效率的根本性限制。 第四章：第三定律与绝对零度 本章将介绍热力学的第三定律，它描述了系统在绝对零度（0开尔文）时的行为。第三定律表明，在绝对零度下，任何完美晶体的熵为零。本书将解释这一结论的物理意义，即在绝对零度时，系统的微观粒子达到最低能量状态，处于最有序的排列。我们将探讨达到绝对零度的理论可能性与实验上的挑战，以及这一概念在低温物理学研究中的重要性。本书还将简要介绍零点能的概念，并探讨第三定律对热力学计算的意义，例如在确定标准生成熵时的应用。 第二篇：热力学系统与性质 本篇将深入研究不同类型热力学系统的特性，以及描述这些特性的关键属性。 第五章：理想气体与实际气体 本书将从理想气体模型开始，推导理想气体状态方程（PV=nRT），并详细解释其中各个参数的物理意义。随后，我们将深入探讨实际气体与理想气体的偏差，介绍范德华方程等更精确的描述实际气体行为的模型，并分析引起偏差的分子间作用力（吸引力和排斥力）以及分子体积效应。本书将通过图表和实验数据，直观展示实际气体的p-V-T关系，并讨论临界现象、焦耳-汤姆逊效应等与实际气体性质相关的现象。 第六章：热力学过程与循环 本章将对各种基本的热力学过程进行详尽的分析，包括等温膨胀/压缩、绝热膨胀/压缩、定容加热/冷却、定压加热/冷却等。对于每种过程，本书都将深入分析其在p-V图上的表现，并计算过程中系统吸收或放出的热量、做的功以及内能的变化。在此基础上，我们将介绍热力学循环的概念，如卡诺循环、朗肯循环、布雷顿循环等，并分析它们的效率和应用。例如，卡诺循环作为理想化的可逆循环，其效率公式将作为热力机效率的理论上限被详细推导和讨论。本書將通過詳細的數學推導和圖示，幫助讀者理解這些循環如何將熱能轉化為功，以及它們在實際工程中的應用，如發電廠、製冷機和內燃機。 第七章：相变与相图 相变是物质在不同状态（固态、液态、气态）之间转化的过程，涉及能量的吸收或释放，并且通常伴随着熵的显著变化。本书将详细介绍相变的类型，如熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华，并深入探讨相变的驱动因素和平衡条件。我们将引入相图（phase diagram）这一强大的工具，通过分析不同物质的相图，理解在不同温度和压力下物质所处的稳定相。本书将重点分析三相点（triple point）、临界点（critical point）等重要特征点，并解释它们在相变过程中的意义。此外，本书还将探讨相变潜热（latent heat）的概念，并分析其在实际应用中的重要性，例如在相变材料（Phase Change Materials）的设计与应用中，尽管本书不包含此书内容，但将从普适性的热力学角度分析相变热力学。 第三篇：热力学在工程与科学中的应用 本篇将展示热力学原理如何在众多工程学科和科学领域得到广泛而深刻的应用。 第八章：热机与制冷机 热机是利用热能转化为机械功的装置，而制冷机则是利用功来转移热量的装置。本书将详细分析各种典型热机的设计原理和工作循环，如蒸汽动力装置、燃气轮机、内燃机等，并计算它们的效率。同时，本书也将深入探讨制冷机的工作原理，包括蒸气压缩式制冷、吸收式制冷等，并分析它们的性能系数（COP）。通过对比分析不同类型热机和制冷机的优缺点，读者将能够理解热力学在能源利用和环境控制中的关键作用。 第九章：化学热力学 化学反应的发生也遵循热力学定律。本章将介绍化学热力学的基本概念，如化学势（chemical potential）、吉布斯自由能（Gibbs free energy）和亥姆霍兹自由能（Helmholtz free energy）。我们将重点阐述吉布斯自由能如何判断化学反应的自发性，并推导其与平衡常数的关系。本书还将探讨标准生成焓、标准生成熵和标准生成自由能等概念，并介绍如何利用它们来计算反应的热力学性质。通过分析化学反应的能量变化和熵变，读者将能够理解化学反应的可行性以及反应平衡的条件。 第十章：传递现象的宏观描述 除了能量的传递，物质和动量也在系统中传递。本章将从宏观热力学的角度，简要介绍热传导、对流、扩散等现象。虽然这些现象通常需要更详细的输运现象理论来描述，但热力学原理为理解这些过程的驱动力和平衡状态提供了基础。例如，温度梯度是热传导的驱动力，而浓度梯度是扩散的驱动力，这些都与系统的自由能和熵有关。本书将强调，在热力学平衡状态下，传递过程会停止，但热力学原理是分析这些过程在非平衡状态下行为的基础。 十一章：生物与环境中的热力学 热力学原理不仅适用于工程领域，也深刻地影响着生命过程和环境系统的运作。本书将探讨生命体的新陈代谢过程如何被热力学所解释，细胞和生物体的能量流动与转化。我们将讨论生物体如何利用化学能来维持生命活动，以及生物过程中的能量效率。在环境科学方面，本书将分析大气环流、海洋环流等宏观环境现象背后的热力学驱动力，以及全球能源平衡和气候变化中的热力学考虑。例如，太阳辐射的能量输入与地球的能量输出构成了地球系统的宏观热力学平衡。 结论 《热力学原理与应用》以其严谨的理论体系、丰富的实例以及对前沿应用的广泛覆盖，成为一本不可或缺的参考书。它不仅为学习者提供了坚实的热力学知识基础，更激发了他们将这些原理应用于解决现实世界挑战的创造力。本书力求以清晰易懂的语言，将复杂的科学概念呈现在读者面前，从而揭示宇宙间能量转化和物质运动的深刻奥秘。
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