時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)

前言

1945年，兩枚核彈終結(jié)了第二次世界大戰(zhàn)，這是對(duì)物理學(xué)威力的一次展示，讓人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科學(xué)頭腦醞釀出的這次核爆炸摧毀了廣島和長崎這兩座日本城市，迫使日本不得不無條件投降。應(yīng)該說，物理學(xué)和物理學(xué)家的身影貫穿于第二次世界大戰(zhàn)的始終，而原子彈只是最生動(dòng)的一個(gè)例子。從那些用于炸壩的在水中跳躍前進(jìn)的炸彈，到那些感應(yīng)到船體出現(xiàn)便發(fā)生爆炸的水下魚雷，第二次世界大戰(zhàn)實(shí)際上也是一場(chǎng)科學(xué)的較量。第二次世界大戰(zhàn)讓所有人，包括那些多疑的軍事領(lǐng)導(dǎo)人相信，物理學(xué)是一門很重要的科學(xué)。然而，物理學(xué)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)延伸到了戰(zhàn)場(chǎng)之外，物理學(xué)原理幾乎關(guān)系到世界的每個(gè)部分，觸碰了人們生活的方方面面。颶風(fēng)、閃電、汽車引擎、眼鏡、摩天大廈、足球，甚至包括我們?cè)趺醋?、怎么跑，所有這一切都要服從科學(xué)規(guī)律的安排。在諸如核武器這樣的話題或者有關(guān)宇宙起源的最新理論面前，物理學(xué)和我們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系往往顯得黯然失色?！拔覀兪澜缰械奈锢怼边@套叢書的目標(biāo)就是去探究物理學(xué)應(yīng)用的各個(gè)方面，描述物理學(xué)如何影響科技、影響社會(huì)，如何幫助人們理解宇宙及其各個(gè)相互聯(lián)系的組成部分的性質(zhì)和行為。叢書覆蓋了物理學(xué)的主要分支，包括如下主題：力學(xué)與動(dòng)力學(xué)電學(xué)與磁學(xué)時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)光與光學(xué)原子與材料粒子與宇宙“我們世界中的物理”叢書的每一冊(cè)都闡釋了有關(guān)某個(gè)主題的基本概念，然后討論了這些概念的多種應(yīng)用。雖然物理學(xué)是數(shù)學(xué)類學(xué)科，但這套叢書主要聚焦于思想的表達(dá)，而數(shù)學(xué)知識(shí)并不是重點(diǎn)，書中只涉及一些簡單的等式。讀者并不需要具備專門的數(shù)學(xué)知識(shí)，當(dāng)然，對(duì)于初等代數(shù)的理解在有些時(shí)候還是很有幫助的。實(shí)際上，每一冊(cè)可以討論的話題的數(shù)量幾乎是無限的，但我們只能選取其中的一部分。令人遺憾的是，不少有趣的東西就這樣不得不被省略掉。然而，叢書的每一冊(cè)都涉獵了非常廣泛的材料。我曾經(jīng)參加過一個(gè)討論會(huì)，會(huì)上一位年輕學(xué)生問教授們，是否需要備有最新版本的物理教科書。有一位教授回答說，不，因?yàn)槲锢韺W(xué)的原理“多年來一直沒有改變”。這個(gè)說法大體上是對(duì)的，但這只是對(duì)物理學(xué)的效力的一個(gè)證明。物理學(xué)的另一個(gè)支撐來源于建立在這些原理之上的令人吃驚的諸多應(yīng)用，這些應(yīng)用仍在不斷擴(kuò)展和變化，其速度之快非同尋常。蒸汽機(jī)已經(jīng)讓位給了用在跑車和戰(zhàn)斗機(jī)上的強(qiáng)大內(nèi)燃機(jī)，而電話線也正在被光導(dǎo)纖維、衛(wèi)星通訊和手機(jī)等取代。這套叢書的目標(biāo)就是鼓勵(lì)讀者去發(fā)現(xiàn)物理學(xué)在各個(gè)方面、各個(gè)領(lǐng)域所起的作用，現(xiàn)在的、過去的以及不遠(yuǎn)的將來的……

內(nèi)容概要

　　《我們世界中的物理：時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》從最簡單的溫度說起，娓娓而談，描述了熱能、體溫、熱泵、熱機(jī)等熱動(dòng)力學(xué)的基本概念，以及它們對(duì)我們這個(gè)世界的影響；并且講述了熱動(dòng)力學(xué)對(duì)時(shí)間流逝的限制，以及人們穿越時(shí)空的可能性?！　《?，凜冽的寒風(fēng)吹過北方大地，而南方的許多城鎮(zhèn)，則沐浴在溫暖的陽光中。冷和熱存在于我們生活的每一個(gè)角落?！段覀兪澜缰械奈锢恚簳r(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》平實(shí)而生動(dòng)地描述了熱力學(xué)的幾個(gè)定律和它們的廣泛影響?？此聘呱畹臒崃W(xué)定律，其實(shí)都來源于人們的日常生活；只要稍微留心，便會(huì)發(fā)現(xiàn)，到處都是物理概念和定律在起作用。比如發(fā)燒時(shí)人的體溫，炎炎夏日里的空調(diào)和人們常吃的烤羊肉串等等，不勝枚舉?！　⊥瑫r(shí)熱力學(xué)定律與高科技、時(shí)下的熱點(diǎn)問題都是緊密相連的。例如書中講述的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)中的引擎，用于夜間偵察的紅外探測(cè)器等；還有人們普遍關(guān)注的全球變暖、臭氧層缺失等問題，都和熱力學(xué)有著千絲萬縷的聯(lián)系?！　r(shí)間對(duì)人類是一個(gè)永恒的話題，正如書名所提到的，時(shí)間在熱力學(xué)中是一個(gè)關(guān)鍵的量，它與"熵"的概念緊密相關(guān)。熱力學(xué)指出，一個(gè)物體的熵隨時(shí)間的變化是有規(guī)律的。人們?cè)羞^很多時(shí)光旅行的幻想，《我們世界中的物理：時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》從熱力學(xué)角度科學(xué)地預(yù)測(cè)了它的可能性。當(dāng)然書中的結(jié)論是基于科學(xué)基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)，至于未來究竟怎樣，要靠人類自己親身去體驗(yàn)，去判斷了。

作者簡介

凱爾·柯克蘭德博士(Kyle Kikland)，1998年在賓夕法尼亞大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位，主要研究方向是視覺系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他的跨學(xué)科背景和興趣促使他發(fā)表了關(guān)于科學(xué)的歷史以及科學(xué)在當(dāng)前和未來對(duì)社會(huì)的影響等多篇文章。凱爾·柯克蘭德同時(shí)也是Facts On File出版公司出版的“科學(xué)與技術(shù)焦點(diǎn)”叢書中的《光學(xué)》一書的作者之一。

書籍目錄

前言鳴謝簡介1 熱與環(huán)境溫度與熱溫度與分子動(dòng)能能量流制冷與加熱潛熱與熱容量一年四季城市熱島全球變暖2 熱與人體溫度體溫人體如何感知冷熱熱的導(dǎo)體與絕緣體溫血?jiǎng)游锱c冷血?jiǎng)游锸孢m區(qū)：保持合適的溫度溫度記錄法極端溫度與生活3 熱與技術(shù)利用技術(shù)控制溫度熱力學(xué)第一定律冰箱與空調(diào)熱力學(xué)第二定律可逆熱泵絕對(duì)零度4 熱機(jī)蒸汽動(dòng)力卡諾熱機(jī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)未來的熱機(jī)5 時(shí)間鐘表鐘擺與周期性時(shí)間與物理定律熵和無序度修訂后的熱力學(xué)第二定律在時(shí)間中旅行宇宙的起源與結(jié)局結(jié)語國際單位制及其轉(zhuǎn)換譯者感言

章節(jié)摘錄

1　熱與環(huán)境溫度與熱在物理學(xué)中，溫度與熱兩個(gè)概念之間有很大差別。盡管看上去并不明顯，溫度指的是物體中的原子和分子的能量。由于兩個(gè)物體溫度不同引起地在它們之間流動(dòng)的能量，則稱之為熱量。人們?cè)欢日J(rèn)為熱是從熱物體流向冷物體的一種流質(zhì)。但實(shí)際上這是不正確的，發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)的人是物理學(xué)家和政治家本杰明·湯普森(Benjamin Thompson，1752-1814)，也就是拉姆福德伯爵(Count Rumford)。在18世紀(jì)90年代，拉姆福德伯爵研究了在制造加農(nóng)炮時(shí)在實(shí)心黃銅柱中鉆孔的過程。有一次他把鋼鉆頭和黃銅柱浸沒在水中，然后隨著鉆孔過程的進(jìn)行，水居然達(dá)到了沸騰的溫度。只要鉆孔繼續(xù)進(jìn)行，水就一直保持在沸騰的狀態(tài)，如果熱真的是一種流質(zhì)的話，這確實(shí)是一種奇怪的事情——黃銅遲早要消耗完它內(nèi)部的流質(zhì)，但是實(shí)際上它不會(huì)消耗完。另一個(gè)重要的觀測(cè)事實(shí)是，炮筒加上鉆孔過程中切削下來的銅屑的重量之和與作為原料的銅柱相比，沒有任何變化；如果金屬流失了很多熱流質(zhì)的話，它的重量應(yīng)當(dāng)會(huì)減小。拉姆福德意識(shí)到水溫升高不是因?yàn)闊崃髻|(zhì)的緣故，而是由于鉆頭的運(yùn)動(dòng)引起的。熱并不是一種流質(zhì)；熱是從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體的能量。雖然拉姆福德不能抓住所有細(xì)節(jié)，他還是能夠察覺到，鉆頭撞擊銅柱產(chǎn)生的摩擦才是導(dǎo)致溫度升高的真正原因。熱量總是與運(yùn)動(dòng)緊密相連的，正如包括兩個(gè)物體相互摩擦的過程所表明的那樣。摩擦產(chǎn)生更高的溫度，例如在寒冷的天氣里人們用兩只手相互摩擦以取暖。熱和溫度在一個(gè)更加本質(zhì)的水平上與運(yùn)動(dòng)相關(guān)。所有物體是由原子和分子構(gòu)成的——它們小到人眼甚至是顯微鏡都看不到的程度。

后記

從第二定律和卡諾熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中體現(xiàn)出來的熱力學(xué)定律，將會(huì)一直限制熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，不管機(jī)器的運(yùn)作方式和構(gòu)造如何。但通常這些極限還沒有達(dá)到，例如汽車引擎的效率，還有提高的空間。雖然熱力學(xué)定律要求一些熱量必須通過尾氣排放掉，但是仍然有大量的熱不必要地從熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中逃逸出來，升高周圍環(huán)境的溫度。對(duì)各種物質(zhì)和材料的熱傳遞的進(jìn)一步研究可能會(huì)引領(lǐng)出更好的絕緣體，以及保存熱量的改進(jìn)方法，使得熱量做功，而不是僅僅加熱轎車的前蓋或噴氣引擎的外罩。熱力學(xué)研究也為其他進(jìn)步做出了保證，其中包含許多實(shí)際的工程問題——也就是最先為熱力學(xué)研究提供動(dòng)機(jī)的那一類問題。但是還有一些研究會(huì)觸動(dòng)更基調(diào)的琴弦。最有趣的項(xiàng)目之一涉及了生命的起源。生命起源這個(gè)問題充滿爭(zhēng)議，因?yàn)閷?duì)許多人來說，這不僅是一個(gè)科學(xué)問題，而且牽扯到重要的宗教信仰?？茖W(xué)可能與宗教有某些聯(lián)系，也許沒有——這也是個(gè)有爭(zhēng)議的問題——但是現(xiàn)在多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為地球大約形成于45億年前，而且當(dāng)大分子聚合在一起，并開始自我復(fù)制的時(shí)候，生命發(fā)生了。古生物學(xué)者(研究古代生命形式的科學(xué)家)還不確定生命發(fā)生的精確時(shí)間——最古老的生命痕跡存在于35億年前的巖石中，但是這樣的遺跡很微小，科學(xué)家不能肯定這遺跡是活生命體的真正化石，還是由與生命無關(guān)的某些化學(xué)過程形成的。但是，遠(yuǎn)古生物的化石清楚地顯示在25億年前的化石中，所以生命一定起源于數(shù)十億年前。如果生命開始演化的時(shí)候，大分子聚合在一起，并開始自我復(fù)制——而且假定沒有人來指導(dǎo)這個(gè)過程——那么生命形成于自組織。生命是有組織的和有序的物質(zhì)排列，所以在生命起源時(shí)，物質(zhì)擺脫了它通常的狀態(tài)——無序——而且將自己轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜和有序的單元。熱力學(xué)和熵的概念在這類過程中起了至關(guān)重要的作用。自組織過程看起來似乎不可能——它像一座城市自己在森林中形成出來，或者一座房子把自己從原材料組裝好一樣。有序會(huì)減少熵，對(duì)自發(fā)過程是極其不可能的，尤其對(duì)龐大和復(fù)雜的過程，例如房屋、城市，甚至是一個(gè)微小的單細(xì)胞生物。但是只在孤立系統(tǒng)中，熵才是非常有可能增加的。熵和熱力學(xué)第二定律并不排除有序的排列；這些概念僅僅說明，一些能量輸入是必要的。如果有外來能量源驅(qū)動(dòng)這個(gè)過程，自組織就可以發(fā)生，而且將整個(gè)系統(tǒng)考慮在內(nèi)——能量源和生命的起始物質(zhì)——熵是增加的。這類似于一個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以做功，使得熵局部減少，同時(shí)排出一些熱量到環(huán)境中，所以總的熵增加。觸發(fā)了早期生命的能量源到目前還不清楚。1953年，美國化學(xué)家哈羅德·尤里(Harold Urey)和他的學(xué)生斯坦利·米勒(Stanley Miller)進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在消毒后的細(xì)口瓶中充人氨氣、甲烷、水和氫氣，他們認(rèn)為這類似于數(shù)十億年前地球的環(huán)境。他們使用電火花類模擬閃電，作為能量源。尤里和米勒幾天之后打開細(xì)口瓶，發(fā)現(xiàn)了與生命有關(guān)的復(fù)雜分子，例如氨基酸。這是最早顯示由簡單化合物形成復(fù)雜分子的實(shí)驗(yàn)之一。熱力學(xué)包括了熵、時(shí)間、能量轉(zhuǎn)化和傳遞，而且在研究和尋找生命起源中是一個(gè)基本的考慮因素。回到過去的時(shí)間旅行明顯不可能，意味著沒人能夠觀察到究竟發(fā)生了什么，所以科學(xué)家必須利用熱力學(xué)概念和理論，以及化石和生物定律，來拼接起這個(gè)故事。現(xiàn)在生命起源依然充滿了秘密。由于有了類似于尤里和米勒的實(shí)驗(yàn)，形成復(fù)雜生命分子——組成生命體的模塊——已經(jīng)不難理解。但是沒人知道這些分子如何將自己組織為活體細(xì)胞。細(xì)胞具有DNA構(gòu)成的基因的復(fù)雜排列，和由氨基酸組成的、擔(dān)任多種重要任務(wù)的蛋白質(zhì)，以及高度復(fù)雜的新陳代謝，它將食物中的能量轉(zhuǎn)化為執(zhí)行生命功能的燃料(這個(gè)過程減少了生物體內(nèi)的熵，但是增加了環(huán)境中熵的總量)。生命如何從復(fù)雜的分子中發(fā)生是一個(gè)科學(xué)問題，只能從熱力學(xué)定理來解釋。

編輯推薦

《時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》為“我們世界中的物理”系列叢書之一。該書揭示了熱動(dòng)力學(xué)的原理，以及它們對(duì)于人類生活和技術(shù)的影響，讓讀者更好地了解世界。人們對(duì)于核技術(shù)和宇宙起源等物理理論耳熟能詳，而對(duì)于日常生活的物理現(xiàn)象卻知之甚少?！拔覀兪澜缰械奈锢怼笔且惶?冊(cè)叢書，全景式地描述了對(duì)技術(shù)和社會(huì)產(chǎn)生影響的物理現(xiàn)象，有助于人們了解宇宙的本質(zhì)和規(guī)律。

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