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| 內容簡介： |
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目录丛书修订版前言(i)丛书序(iii)前言(v)第一章 缘起——蒸汽机带来的学问(1)来自实践——瓦特与蒸汽机(2)当务之急——提高蒸汽机效率(3)理想化入手——卡诺的贡献(5)放之四海皆准——能量守恒(9)走向绝对——热力学温度(13)又一美妙的幻想——第二类永动机之梦(16)应运而生——热力学第二定律(18)谈非论是——“不可能性”的正面价值(21)第二章 “天将降大任于是人也” ——熵的亮相(23)石破天惊——一个概念的诞生(24)殊途同归——再谈几种说法的等效性(29)天道盈亏——熵恒增=能贬值(29)极大与极小——平衡判据(32)概念的拓展——化学势与复相平衡(34)“推敲”平衡——稳定与否？(36)“冬季为什么要生火？” ——耐人寻味(38)第三章 S=klogW——墓碑上的公式(41)剑手与雄牛的决斗——学术之争(42)不朽的丰碑——“写下这些记号的，难道是一位凡人吗？”(43)寓理于娱——棋盘游戏(45)黑白混淆——吉布斯佯谬(51)底蕴之所在——系统混乱度的度量(52)溯流寻源——玻耳兹曼统计(54)夹缝里的文章——涨落(57)第四章 无序对有序——熵与能之间的较量(63)黑白交错——有序乎？无序乎？(63)概念落实——序的转变(64)寻根溯源——能与熵的较量(68)从阳刚到阴柔——走进软物质的世界(70)大师的洞见——熵致有序(75)弹性与高弹性——键力与“熵力”的比照(78)蛋白质分子的折叠——熵与能的交缠(82)第五章 时间之矢——趋近平衡(85)开启演化之门——不可逆性(85)近水楼台——近平衡区的热力学(88)跨越时代的杰作——玻耳兹曼方程(91)逆其意而道之——H定理(95)“速度反演”——对H定理的诘难(97)“复现始态”——对H定理的另一诘难(99)分析与澄清——罐子游戏(101)第六章 再谈时间之矢——远离平衡(104)视野扩展——表观上的差异(104)海阔天空——开放的世界(105)被忽略的问题——奇妙的对流(110)“蝴蝶效应”？——气象的可预测性(114)振荡之玄机——有趣的“化学钟”(118)生命是什么？——值得深思的问题(122)不解的疑团——“热寂”之谜(126)第七章 “零”的追求——向绝对零度的逼近(131)“永久气体”——神话的破灭(131)从理想到实际——一篇博士论文的贡献(134)多孔塞的妙用——节流致冷(137)结束与开始——氦的液化(139)八仙过海——致冷奇招(142)“熵”中看“光”——*辟蹊径(146)异军突起——激光致冷(148)艰辛的历程——创世界纪录(155)第八章 琼楼玉宇，高处不胜寒——奇妙的低熵世界(159)登场亮相——热力学第三定律(159)舞台背后——导向量子世界(161)“芝麻开门”——量子论的诞生(164)改弦易辙——量子统计(167)理想成真——量子气体的凝聚(171)世纪疑谜——超导性与超流性(176)空中楼阁——负温度(183)第九章 妖精的启示——熵与信息(188)别出心裁——麦克斯韦妖(188)降妖伏魔——各显神通(191)不可或缺——信息(194)天作之合——信息与熵(197)待价而沽——信息与能(199)代代相传——信息与生命(201)谁执牛耳？——能熵之争(206)第十章 尚未了结——当代视野中的熵(208)从真实到虚构——相空间、系综与吉布斯熵(209)墨水比喻——粗粒化与混合性(212)分等定级——从遍历系统到伯努利系统(213)面包师与猫——相映成趣，共参妙理(215)定量刻画——李雅波诺夫指数与动力学熵(218)铺平道路——通向不可逆性(220)桌球戏的启示——回归玻耳兹曼方程(222)余音袅袅——物理学规律与不可逆性(225)后记(232)
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第一章 缘起——蒸汽机带来的学问 自然科学与应用技术之间存在着相互促进的关系，这已是人所共知、毋庸置疑的。但在具体问题上如何相互促进，却是在不同的时期、不同的学科，存在多种范式。有的是自然科学先行一步，揭示了科学规律，然后再付诸实施，建立了崭新的工业。例如，19世纪电磁学，基本上是在实验室里建立起来的，在此基础上，诞生了电机工程和无线电技术。另一类情况是，由于经济发展的需要，应用技术先行一步，继而推动自然科学的发展，再反馈到技术中去，促使技术登上一个新的台阶。热机技术与热力学之间的关系即属于后一类。我们的主题“熵”亦是*先在热力学中建立起来的关键概念，进而广泛应用于自然科学的各个领域之中。 19世纪的工业社会，建立在蒸汽机技术的基础之上。这是人类自从使用火以后，在改造自然方面所取得的重大胜利，广泛地使用蒸汽机成了**次工业革命的主要标志。当时，卡诺（S.Carnot）欣喜地预言：“蒸汽机极为重要，其用途将不断扩大，而且看来注定要给文明世界带来一场伟大的革命。”历史充分证实了这一点。事实上，正是在蒸汽机不断改进和完善的经验基础上，热力学才得以建立；当然反过来热力学又促进了蒸汽机和其他热机技术的发展。目前，蒸汽机正在退出工业技术的历史舞台，早年的蒸汽机火车头已经成为博物馆收藏的珍品，但从历史的观点来看，蒸汽机之功不可没! 好!就让我们从蒸汽机说起吧! 来自实践——瓦特与蒸汽机 说起蒸汽机，人们*先想到的一定是瓦特（J.Watt），瓦特使蒸汽机真正成为动力。然而，瓦特并不是一位孤立的英雄，在他之前就有好几位先驱者，如1681年发明巴本锅的巴本（D.Papin）；制造出在矿井内抽水的蒸汽泵的塞维利（T.Savery）；1705年改进蒸汽泵为蒸汽机的纽可门（T.Newcomon），等等。在瓦特之后，也还有不计其数的后继者。耐人寻味的是，这些先驱者，有一个共同点，要么是工匠，要么是技师，都是专门与实践打交道的人。这并非偶然的巧合，考虑到当时的历史背景，可以说是一种历史的必然。 谈到瓦特，有一个流传很广的故事，说幼年时的瓦特看到炉子上水壶里的水开了，盖子被蒸汽掀动，不停地上下跳跃，噗噗地响，很感奇怪，想了很久，竟忘了吃饭。由此他认识了蒸汽的力量，发明了蒸汽机。 图1.1 瓦特的传说故事 我们当然不必去认真考证这个故事是否真实，其细节是否可信。这个故事和牛顿看到苹果落地悟出万有引力的故事如出一辙：反映了一般人对于形象思维的偏爱，即使在自然科学领域中亦复如此。可以肯定的是，瓦特专心研究蒸汽，矢志造出新式蒸汽机，以及其新式蒸汽机的*特设想，与这故事中水壶盖的行为相吻合，充分说明瓦特之所以能由一个普通的修理工而成为创造蒸汽机的大师，细于观察，勤于实践，锐意革新，不能说不是一个重要因素。 瓦特不断改进前人和他自己的机器：给蒸汽机增添了冷凝器，继而使机器的断续动作变为连续工作；发明了活塞阀，又变活塞的往复运动为旋转运动；增加飞轮和离心节速器 为18世纪末现代蒸汽机的问世，做出了重要贡献。从而蒸汽机获得了巨大的成功：1785年被用于纺织工业，1807年被应用于轮船，1825年被应用于火车。 当务之急——提高蒸汽机效率 蒸汽机使人类摆脱了以人力和畜力为主要动力的时代，进入了火热的工业社会，特别是在工业社会的前期，蒸汽机几乎成为主要的动力来源。随着19世纪的到来，英伦三岛开风气之先，继而普及到西欧与北美。但蒸汽机固有的使用效率低（当时蒸汽机效率一般只能利用能量的5%～8%）、笨重及其他种种弱点暴露无遗，阻碍了蒸汽机的广泛应用。于是，很自然地提出了热机效率提高的问题，促使人们对有关物质热性质、热现象的规律作深入的研究，不少科学家和工程师将探索的目光投向了理论，开始由根本上来研究蒸汽机（或一般热机）的效率，拓宽了科学的视野，诞生了热力学。 为更好地理解这一点，我们不妨以蒸汽机为例，分析一般热机的工作原理，探讨热机效率之意义。 如图1.2所示，锅炉A中的水受到高温热源加热后，变为蒸汽进入过热器B中继续加热，变为高温高压的蒸汽；然后进入汽缸C中绝热膨胀，推动活塞对外做功，出来的低压蒸汽进入冷凝器D，向低温热源放热冷凝为水，水重新进入锅炉加热，如此周而复始地循环。水作为工作物质，从高温热源吸热，同时也向低温热源放出部分热，余下能量在汽缸中对外作了机械功。 图1.2 蒸汽机工作原理图 此即蒸汽机工作的主要过程，它概括了一切热机的主要特征。剖析之，可以看出，正因为热机不可能把从高温热源吸的热全部转化为功，就必然要研究它从高温热源吸收的热Q中，有多少能转化为功W的问题。如此，定义热机效率为： 分子要大，分母要小，多么美好的愿望!然而毕竟只是愿望。高效率能否实现？如何实现？效率是否有*高限？ 众多的问题期望着答案，看来没有理论是不行了! 理想化入手——卡诺的贡献 1824年，年仅28岁的法国工程师卡诺，以年轻人特有的大胆设想和敏锐思维，一下子抓住了问题的关键，做出了非凡的贡献。在《关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解》的小册子中，卡诺将其注意力集中于一点：在热机中，作功不仅以消耗热量为代价，也与热量从热的物体向冷的物体的传递有关。因而没有冷的物体，热量就不能被利用。用卡诺自己的话来说： 单*提供热不足以给出推动力，必须还要有冷。没有冷，热将是无用的。 正如没有落差，水力就无法利用一样。卡诺敏锐地注意到，一个蒸汽机所产生的机械功，在原则上有赖于锅炉和冷凝器之间的温度差。他采用科学抽象的方法，在错综复杂的客观事物中建立起理想化的模型，即所谓的“卡诺热机”。恩格斯曾说： 他撇开了这些对主要过程无关紧要的次要情况，而构造了一部理想的蒸汽机（或煤气机），这样一部机器就像几何学上的线和面一样是决不能制造出来的。但是它按照自己的方式起了像这些数学抽象所起的同样的作用，它表现纯粹的、*立的、真正的过程 。 卡诺热机与其他物理学的抽象概念（如质点、刚体、理想流体、绝对黑体等）一样，都是从客观事物高度概括出来的理想客体。虽不能为感觉所直接感知，但却能更真实、更普遍地反映出客观事物的本质特征。 图1.3 卡诺（1796～1832） 卡诺利用循环过程来研究有关问题，创造了研究热力学的一种*特方法。将热机的工作加以理想化包含了工作物质状态的变化，升温与降温，膨胀与收缩，与周围环境的热交换和推动活塞做功，如此周而复始，一切又重新开始。将封闭在汽缸里的工作物质（一般是气体）称为系统，它的状态可以用压强p，体积V，温度T来描述。系统置放了一定时间后，就达到平衡态，其压强和温度都趋于均一。系统和环境的界壁既可以是透热的，即系统可以和周围环境建立热平衡，温度相等；也可以设想是绝热的，系统的温度与环境温度无关。系统状态变化的过程可以设想以缓慢的速度来进行，因而在这一变化过程中，系统和外界都近似保持热平衡的状态。例如，压缩气体时，使外压强p（e）略微大于气体压强；而气体膨胀时，p（e）略微小于p（图1.4）；在无限缓慢的极限状态，这两个过程可视为沿同一路径而方向相反。这一过程就是可逆过程。这样，平衡与变化这一对矛盾，就在热力学的可逆过程的框架中被统一起来了。
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