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出版者:Mcgraw-Hill College

作者:Yunus A. Cengel

出品人:

页数:960

译者:

出版时间:2001-6

价格:USD 100.31

装帧:Hardcover

isbn号码:9780072383324

丛书系列:

图书标签:

• 热力学
• 工程热力学
• 物理学
• 能源
• 传热
• 流体力学
• 化学热力学
• 统计热力学
• 热机
• 热力学性质

《能量的脉络：从微观粒子到宏观宇宙的奥秘》 引言 我们生活在一个由能量驱动的世界，从细胞的每一次跳动，到行星的轨道运行，再到星系的碰撞交融，无不体现着能量的无处不在和变幻莫测。本书并非一本关于热力学定律的教科书，也不是对能量转换公式的机械罗列。相反，它是一次深度探索，一次对能量在宇宙万物中扮演的至关重要角色的哲学与科学交织的漫游。我们将目光投向微观粒子如何在能量的激发下舞蹈，如何组合成更复杂的结构；我们将审视生命体如何巧妙地捕捉、储存和利用能量以维系生存；我们将追溯人类文明的每一次飞跃，都离不开对能量更深层次的理解和更高效的利用；最终，我们将仰望星空，思考能量如何在宇宙的诞生、演化乃至终结中留下不可磨灭的印记。 第一章：能量的低语——粒子世界的跃动 在构成我们世界的基石——原子和亚原子粒子层面，能量以一种令人难以置信的精妙方式展现着它的力量。想象一下，那些微小的电子，如同在原子核周围跳跃的舞者，它们的每一次跃迁，都伴随着光子的释放或吸收，这便是能量在最基本层面的互动。我们将会深入了解量子力学如何揭示能量的量子化特性，即能量并非连续，而是以离散的“份”——量子——形式存在。这意味着粒子只能处于特定的能量状态，而跃迁则需要吸收或释放精确能量的粒子。 我们将探讨动能与势能的深刻含义。质子和中子的核力，正是源于它们之间强大的势能，这种能量的释放，便是我们熟知核能的来源。电子的运动，则是动能的体现，它们的速度和位置，与能量的分布息息相关。甚至连空间本身的“零点能”，这种在经典物理学中被忽略的能量，在量子场论中也扮演着重要的角色，它暗示着即使在最空虚的真空里，也并非真正的寂静，而是充满了能量的涌动。 本书将带你领略能量在粒子碰撞中的作用。当高能粒子碰撞时，它们可以将能量转化为新的粒子，这在粒子加速器和宇宙射线研究中得到了验证，也为我们理解宇宙的早期状态提供了线索。我们将不仅仅是描述这些现象，更会尝试去理解其背后的逻辑：为何能量在这里表现为质量，在那里又转化为电磁辐射？这种转化不是随意的，而是遵循着严谨的物理规律，而这些规律，正是我们理解宇宙最深层机制的关键。 第二章：生命之火——能量的捕获与转化 生命，作为宇宙中最令人惊叹的现象之一，其存在本身就离不开对能量的精妙运用。从最简单的单细胞生物到复杂的多细胞生物，每一个生命体都在与能量进行着永无止境的交易。我们将从光合作用开始，这是地球上几乎所有生命赖以生存的能量来源。植物如何将太阳光中的光子转化为化学能，储存在糖类分子中？这个过程的效率如何？环境因素，如光照强度、二氧化碳浓度，又如何影响这个至关重要的能量捕获过程？ 然后，我们将深入细胞内部，探索呼吸作用的奇妙。细胞如何分解储存的有机物，释放出能量，并将其转化为ATP（三磷酸腺苷），这种细胞的“能量货币”，驱动着几乎所有的生命活动？我们将解构线粒体这个细胞的“发电厂”，了解电子传递链如何层层传递电子，释放出能量，最终合成ATP。我们还会探讨不同代谢途径在不同环境下的适应性，例如厌氧呼吸，它能在没有氧气的情况下，也能勉强维持生命活动的能量需求。 本书还将关注能量在生命体内的传递和分配。血液如何将氧气和营养物质输送到全身，为细胞提供能量的“燃料”？神经信号的传递，本身就是一种能量耗散的过程，而激素则如同能量调控的信使，指挥着身体对能量的需求和供给。我们将讨论动物的运动，从微小的肌肉收缩到庞大生物的迁徙，都依赖于化学能向机械能的转化。恒温动物如何通过代谢来维持体温，这又消耗了多少能量？ 生命的能量学远不止于此。我们将触及生物能量学的研究前沿，例如能量在生态系统中的流动，食物链如何层层传递能量，以及能量在不同物种间的分配。我们还将思考，生命体的进化，是否也受到能量可用性和效率的驱动？那些更善于捕获和利用能量的物种，是否更有可能在生存竞争中占据优势？ 第三章：文明之光——人类与能量的共舞 人类文明的每一次重大进步，都与对能量的理解和利用息息相关。回溯远古，火的发现，不仅仅是取暖和烹饪的手段，更是人类摆脱自然束缚，开始主动改造环境的开端，它象征着人类掌握了将化学能转化为热能和光能的能力。 农业的兴起，是人类学会了如何更有效地储存太阳能。通过种植作物，人类将光合作用的产物积累下来，为更稳定的人口增长和定居生活提供了可能。畜牧业则进一步拓展了能量的来源，将植物的能量转化为动物产品，满足人类的营养需求。 工业革命的到来，是人类对能量利用的一次革命性飞跃。蒸汽机的发明，标志着人类开始大规模地利用化石燃料（煤炭）中的化学能，将其转化为机械能，驱动了工厂、火车和轮船，彻底改变了生产方式和社会结构。电力的发现和应用，更是将人类文明推向了新的高峰。电灯点亮了黑夜，电动机驱动了无数机器，通信技术的发展也离不开电能。我们将会探讨发电机和电动机的工作原理，以及电力传输系统如何将能量从发电厂高效地输送到千家万户。 本书还将审视现代社会对能量的依赖。核能的出现，为人类提供了另一种强大的能量来源，但同时也带来了安全和环境的挑战。可再生能源，如太阳能、风能、水能，正日益受到重视，它们代表着人类对更可持续能源未来的探索。我们将分析这些能源的特点、优缺点，以及它们在未来能源结构中的潜力。 同时，我们也会探讨能源消耗对环境的影响，例如温室效应和气候变化，以及人类为了应对这些挑战所做的努力。能源的效率，在文明发展中扮演着至关重要的角色，提高能源利用效率，是减少浪费、实现可持续发展的关键。 第四章：星辰大海——宇宙尺度的能量律动 将目光投向浩瀚的宇宙，能量的宏大叙事将更加令人震撼。宇宙的起源，便是能量的终极爆发——大爆炸。本书将带领读者穿越时空的鸿沟，去理解宇宙诞生之初，物质与能量的相互转化，夸克、轻子等基本粒子如何在能量的驱使下形成，然后结合成原子核，再到原子。 恒星，作为宇宙中最普遍的发光天体，它们的光芒正是能量的直接体现。我们将深入恒星的内部，了解核聚变是如何在恒星核心发生，将氢转化为氦，释放出巨大的能量，支撑着恒星的燃烧。恒星的演化，从诞生到死亡，都是一部关于能量的壮丽史诗，其中包含了超新星爆发、中子星形成，甚至黑洞的诞生，每一次事件都伴随着能量的剧烈释放或转化。 星系之间的碰撞与合并，也是能量的宏伟展现。巨大的引力作用下，星系相互吸引，最终融合，在这个过程中，大量的恒星会被撕裂，恒星之间的气体云会被压缩，引发新一轮的恒星形成，而这一切，都伴随着能量的释放和传递。 本书还将探讨宇宙的暗能量和暗物质。暗能量被认为是驱动宇宙加速膨胀的神秘力量，它的存在意味着宇宙中存在着我们尚未完全理解的能量形式。暗物质虽然不发光，但它通过引力效应影响着星系和星系的形成，暗示着宇宙中还存在着大量我们无法直接观测到的物质和能量。 最终，我们将思考宇宙的终极命运，这同样与能量息息相关。宇宙会继续膨胀，直至一切物质和能量都趋于寂灭，进入“热寂”状态？还是会发生“大挤压”，重新坍缩，开启新的循环？这些关于宇宙终结的猜想，都建立在对宇宙整体能量平衡和演化趋势的深刻理解之上。 结语 《能量的脉络》并非一次简单的信息堆砌，而是邀请读者一同踏上一段跨越微观与宏观、生命与文明、科学与哲学的旅程。通过对能量在不同尺度、不同领域中的展现进行细致的梳理和深入的解读，我们希望读者能够跳出对“热力学”这个词汇的固有印象，去感受能量作为宇宙最基本、最普适的驱动力的真正力量。理解能量，就是理解我们自身，理解生命，理解我们所处的这个奇妙而壮丽的宇宙。这是一种对存在本质的探索，一次对宇宙奥秘的追寻，一种对未来无限可能的想象。

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坦率地说，初次接触这本书时，我被其中大量的数学表达吓了一跳，尤其是那些涉及到偏微分方程和多重积分的部分，感觉像是直接从高等数学课本里截取出来的。然而，一旦我强迫自己沉下心来，将注意力放在图示和文字对数学符号的解释上，我才发现这些“复杂的”公式其实是描述自然规律最简洁、最精确的语言。作者在处理等效过程和卡诺循环的效率推导时，使用了大量的图形化辅助说明，比如通过一个精心绘制的P-V图，将等温、绝热、等压过程的面积和斜率变化关系勾勒得淋漓尽致。这种图文并茂的结合，让原本抽象的“可逆过程”具象化了。这本书对“严格性”的追求是毫不妥协的，它不会为了迎合读者而牺牲任何一个必要的数学步骤，这对于想打下扎实理论基础的读者来说，是最大的财富，尽管这意味着阅读过程可能需要频繁查阅微积分手册。它提供的是一种严谨的科学视角，而不是快速的知识速查。

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这本书的价值，我认为主要体现在它对“应用背景”的持续强调上。它不是一本纯粹的理论堆砌，而是始终将热力学定律置于真实的工程和物理场景中进行考察。例如，在讨论热机效率时，它不仅讲解了理论上的最大值，还详细分析了实际工业锅炉中由于摩擦、传热损失等因素导致的效率下降，甚至提供了一些定性的优化思路。这种“理论与现实的对话”贯穿全书。再比如，在介绍化学热力学的部分，作者并没有避开化学势这个难点，而是通过解释电池内部电化学反应的驱动力，将化学势与电势能联系起来，使得这个概念不再仅仅是一个抽象的吉布斯自由能的导数，而是能驱动电流流动的“势能”。这本书最大的优点是它培养了一种“系统思维”，即认识到任何能量转换过程都是一个受制于不可逆性和熵增规律的复杂系统，这种宏观的视角是其他侧重于单一公式讲解的资料所不具备的。它提供了一种看待世界运行方式的底层逻辑框架。

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这本书的内容组织结构简直是教科书级别的典范，它似乎深谙学习者的认知曲线。章节的递进关系设置得极有章法，从最基础的能量守恒定律开始，逐步引入系统边界、功和热的定义，然后非常自然地过渡到第一、第二定律。最巧妙的一点在于，作者似乎预设了读者在学习过程中可能产生的困惑，并在关键的转折点设置了“概念辨析”的小节。比如，区分理想气体和真实气体的状态方程时，作者没有并列介绍，而是先让读者充分理解理想模型的局限性，再引出范德华方程等修正模型，这种层层递进的方式极大地降低了理解复杂模型的门槛。我个人对其中关于热力学第三定律的讨论印象深刻，作者没有停留在零点熵的表述上，而是深入探讨了其在低温物理实验设计中的实际意义，这使得原本最“虚无缥缈”的定律也变得有了操作性。这本书的深度是足够的，但它的引导性更强，不会让人在知识的海洋中迷失方向。

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读完这本书，我最大的感受是作者在保持科学严谨性与追求清晰叙事逻辑之间找到了一个近乎完美的平衡点。全书的行文风格非常老派，句子结构严密，逻辑链条清晰到几乎不需要读者去费力梳理。它不像某些现代教材那样追求花哨的互动或简化到失去深度的表述，而是采取了一种近乎于“大师授课”的口吻，字里行间透露出深厚的学术功底。我特别留意了关于相变平衡的章节，作者并没有直接跳过拉乌尔定律的推导过程，而是用了一种近乎手工推演的方式，每一步的假设和约束条件都交代得清清楚楚，让人能够完全跟上思路，而不是被公式直接“轰炸”。这种对基础推导的尊重，对于那些真正想理解“为什么”而不是仅仅记住“是什么”的学习者来说，简直是福音。当然，对于只想快速应试的同学可能会觉得节奏稍慢，需要耐心去消化每一个段落。但如果把这本书当作一部经典的科学著作来研读，它的价值会随着阅读的深入而愈发显现，它培养的不是解题技巧，而是科学思维的框架。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，硬皮的质感配合着那种沉稳的墨绿色，拿在手里就有一种厚重而可靠的感觉。我原本以为这会是一本枯燥的教科书，但翻开扉页后，发现排版相当考究，图表的清晰度和标注的详尽程度都远超预期。初学者可能会对那些复杂的公式望而却步，但作者巧妙地将理论与实际工程案例结合，比如关于蒸汽轮机效率提升的章节，简直就是一本实战手册。我尤其欣赏作者在阐述基本概念时所采用的类比手法，比如将熵增描述为“系统不可逆转的混乱趋势”，这种形象化的表达一下子就将抽象的物理定律拉到了可以触摸的现实层面。当然，对于想深入研究量子热力学那一部分的读者来说，可能会觉得这部分内容略显浅尝辄止，更像是作为基础知识的铺垫而非深入探讨。但总的来说，作为一本入门或复习基础热力学原理的工具书，它的实用价值是毋庸置疑的，绝对值得在书架上占有一席之地，尤其适合那些需要将理论知识快速应用于工业设计和能源分析的工程师们。那种翻阅时带来的踏实感，是很多轻薄教材无法比拟的。

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