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热学(中国科学技术大学精品教材、“十二五”国家重点图书出版规划项目)

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热学(中国科学技术大学精品教材、“十二五”国家重点图书出版规划项目)
作者:朱晓东(编著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-03183-0
估价:68.00元
版本:1
装帧:平装
预计出版年月:201405
丛书名称:中国科学技术大学交叉学科基础物理教程

图书简介:
  本书作者在中国科学技术大学长期讲授本科生的热学基础课,具有丰富的教学经验。在参阅多部国内外优秀教材和多年教学积累的基础上,作者试图编写一本适应交叉学科人才培养的需求、具有时代气息的热学教材。内容以温度为主线,热与温度相呼应、微观和宏观相配合,力图给读者以清晰完整的物理图像。书中重视热学理论与实践的联系,重视学科的新发展和新成就。书后亦附有大量的习题,供读者有针对性地选择练习,以加深对课程内容的理解,培养利用所学理论、知识解决实际问题的能力。
  本书可作为综合性大学和理工类院校普通物理热学教科书或主要参考书,亦可供大专院校相关专业及科技工作者参考。
 
 
 
 
 
 
前言:
  普通物理中的热学显现着各种矛盾的对立与统一,冷与热、随机与必然、平衡与非平衡、可逆与不可逆,等等,是学生系统地从宏观和微观两个角度去认识物质世界的开始。有意思的是,对热学这门课的学习,也有“浅与易、深与难”两种截然不同之说。热学的基本原理乍看起来似乎很简单,有些甚至被认为是显而易见的;一些概念也是日常生活中的常用语,如温度、能量等;这些使一些初学者认为热学很容易学习,无需多大努力。但另一种说法是,这些原理博大而深邃,基本概念像熵、能量等又极为抽象,要弄清楚这些绝非易事。
  同样,编好一本热学教材亦非易事。多年来,经过同行们不懈的努力,有大批优秀的热学教材问世。记得三十多年前我们上大学时用的就是李椿先生的《热学》;今天我们走上讲台,这本书还是主要的参考书之一。随着时代的发展,热学应用领域不断扩大,而且学科本身也有了许多重大发展,教科书也应适应这种变化,在传承中发展。作者在编写本书时,参看了很多热学教材和资料,书后附了一部分。编写过程中一些考量如下:
  1. 尽管热学从创建至今已有数百年,但其基本原理、基本规律没有变化。在热学中,将物理概念、物理定律的渊源、精髓,以及物理思想清楚地表述,是教材的基本任务。在这方面,作者采用多种方式来进行讲述,例如对一些重要的概念如热、能量等,从其发展的历史进程来理解,对熵的概念,则从其多属性、多层次及其扩展外延来理解。
  2. 在体系上,以热学理论为线索,以热学理论对不同物态的应用为内容,不再以单独章节来讲述固体和液体。强调热学理论的普适性,适用于一切固体、液体和气体;固、液、气三态的微观结构不同导致了它们的热性质差异。避免使初学者产生热学只是用来描述理想气体的印象。
  3. 通俗、好懂,使学生真正感受到普通物理学的“普通”,这也是作者在编写过程中时刻提醒自己注意的。尽可能用通俗、口语化的语言进行描述、类比,不刻意追求严谨;尽可能引用生活或实践中与热运动有关的例子,使学生认识到热学理论源于生活和实践、就在我们身边。这些也反映在每一章的开头,每章都以前人在诗词中对热现象的描述来引出。进一步地,让同学们充分认识到热学理论与全球变暖、环境污染等当今社会发展中面对的重大问题的相关性,培养学生基本的物理素养。
  4. 学习了经典统计的基本图像,若不了解量子统计会有点遗憾,尤其对那些可能不再继续学习后续课程(热力学与统计物理)的同学。因此,我们在第2章(《热运动统计规律》)的最后一节,简述了量子统计。这部分内容,只讲物理图像和思想,不涉及具体过程的演绎,力图使具有普通物理知识的学生能看懂,能对量子统计思想、量子统计对经典统计的过渡有所了解。
  5. 普通物理学是物理学大厦的基石。温度向高、低端延伸,随之出现前沿的物理学研究领域——等离子体物理与低温物理。在本书的最后一章,我们从普通物理的视角对高、低温作些介绍。人们源于科学的基本兴趣及实际应用,在高、低温领域获得了巨大成就,对这些成就的物理本质的了解,能让学生开阔眼界,并认识到普通物理学的基础性地位以及物理学对推动社会科技进步的重要意义。
  具体内容,除绪论外共有7章。绪论部分对热学的研究对象、理论体系和物理思想作阐述,以期初学者一开始就对热学概貌有所了解;第1章讲述温度,介绍温度的由来,如何定义、测量等,温度和物质聚集状态的关系等;第2章介绍热运动的微观理论;第3章介绍物质的热性质;第4章和第5章分别讨论热力学第一、第二定律;第6章介绍相变与潜热;第7章简单介绍非常规温度,作为对经典热学的补充。各章节打“*”号的部分,在教学中可不选用,仅作为学生的阅读材料。
  本书的基本框架经编委会多次讨论后确定。主编侯建国院士审阅了书稿,提出了有价值的指导性意见;副主编程福臻教授与作者进行了
多次讨论,并逐字逐句对书稿进行了认真的修改;俞昌旋院士对第7章(《非常规温度》)提出了很好的建议;蒋一教授审阅了第2章,并提出了有价值的修改建议;在本书的前期准备阶段,张玉民教授、阮可青副教授与作者进行过有益的讨论,且张玉民教授还阅读了全书并提出了有价值的修改意见;编委会又邀请了清华大学的安宇教授和北京大学的穆良柱博士审阅了书稿,提出了珍贵的、有建设性的意见;理论物理专业的博士生王兆亮同学,我的研究生张一川、李唤同学编写了习题;中国科学技术大学出版社为本书的成稿和出版做了大量的工作。此外,在编写的过程中引用了大量的资料,有的直接来源于网络,如文章中的一些图片,无法在引用处一一注明,书后所附的参考书目也不完整,敬请读者谅解。在此对大家的帮助和支持一并致以衷心的感谢。
  历时三年多,书终于脱稿了。由于作者水平有限,知识面有限,对课程的理解有限,书中肯定有不妥甚至错误之处,敬请各位老师、同学指正。大家共同努力,推动热学教学的改革与发展。
 
 
 
朱晓东
2014年3月于科大东区
 
目录:
序(ⅰ)
 
前言(ⅲ)
 
绪论(1)
 
 
0.1热运动(2)
 
0.2热学的发展(3)
 
0.3热学的研究对象与方法(4)
 
0.4热学的理论体系与思想(5)
 
第1章温度(7)
 
1.1热力学系统的描述(8)
 
1.1.1热力学系统(8)
 
1.1.2热力学系统性质(9)
 
1.1.3热力学系统的状态(10)
 
1.2热力学第零定律(12)
 
1.2.1热平衡和热力学第零定律(12)
 
1.2.2温度(13)
 
*1.2.3温度世界(14)
 
1.3温标及温度测量(16)
 
1.3.1经验温标(16)
 
*1.3.2几种常用的温度计(17)
 
1.3.3理想气体温标(21)
 
1.3.4热力学温标及其他温标(23)
 
1.4不同温度下物质的聚集状态(25)
 
1.4.1固态(25)
 
1.4.2液态与气态(27)
 
1.5物态方程(28)
 
1.5.1一般情形(28)
 
1.5.2各向同性的固体与液体的状态方程(29)
 
1.5.3气体状态方程(32)
 
第2章热运动统计规律(43)
 
2.1物质的微观模型(44)
 
2.1.1原子分子论(44)
 
2.1.2固体的微观特征(47)
 
2.1.3液体的微观特征(50)
 
2.1.4气体的微观特征(53)
 
2.2描述大数粒子的统计方法(58)
 
2.2.1决定论与概率论(58)
 
2.2.2概率与概率分布函数(60)
 
2.2.3统计平均值(63)
 
2.2.4涨落现象(64)
 
2.3理想气体的压强和温度(65)
 
2.3.1理想气体的微观模型(66)
 
2.3.2理想气体压强公式(67)
 
2.3.3温度的统计意义(69)
 
2.4范德瓦耳斯方程的微观图像(72)
 
2.5麦克斯韦分布律(74)
 
2.5.1速度空间与速度分布函数(75)
 
2.5.2麦克斯韦速度分布律(76)
 
2.5.3麦克斯韦速率分布律(77)
 
2.5.4麦克斯韦速率分布律的应用(81)
 
*2.5.5麦克斯韦分布律的验证与推导(85)
 
2.6玻耳兹曼分布律(89)
 
2.6.1玻耳兹曼分布律(89)
 
2.6.2气体分子在重力场中按高度的分布(90)
 
*2.6.3悬浮粒子按高度的分布(91)
 
2.7能量均分定理及应用(92)
 
2.7.1自由度(92)
 
2.7.2能量均分定理(93)
 
2.7.3理想气体的内能和热容(95)
 
2.7.4经典极限(97)
 
*2.8经典统计对量子统计(98)
 
2.8.1宏观状态与微观状态(98)
 
2.8.2经典统计与量子统计对粒子微观状态的描述(99)
 
2.8.3经典统计与量子统计对系统微观状态的描述(101)
 
2.8.4量子统计向经典统计的过渡(105)
 
附录2.1积分表(108)
 
附录2.2误差函数简表(108)
 
第3章热与热传递(109)
 
3.1热(110)
 
3.1.1热相互作用(110)
 
3.1.2热的本质(111)
 
3.1.3热量(112)
 
3.2物质的热性质与分子热运动(114)
 
3.2.1物质热容量(114)
 
3.2.2黏滞现象(117)
 
3.2.3扩散现象(121)
 
3.3表面现象与分子力(126)
 
3.3.1界面与表面(126)
 
3.3.2液体的表面张力(127)
 
3.3.3润湿与毛细现象(132)
 
*3.3.4固体表面的吸附现象(134)
 
3.4热传递(136)
 
3.4.1热传导(136)
 
3.4.2对流传热(138)
 
3.4.3辐射传热(139)
 
*3.5传热与环境和生命现象(142)
 
3.5.1太阳对地球的辐射能流(142)
 
3.5.2大气环境中的热传递(144)
 
3.5.3传热与生命现象(145)
 
第4章热力学第一定律(147)
 
4.1热力学过程(148)
 
4.1.1一般的热力学过程(148)
 
4.1.2准静态过程(148)
 
4.2功与热(150)
 
4.2.1功相互作用(150)
 
4.2.2准静态过程的功(151)
 
4.2.3热功相当(154)
 
4.3热力学第一定律(155)
 
4.3.1能量守恒定律(155)
 
4.3.2内能(157)
 
4.3.3热力学第一定律的数学表述(159)
 
4.4热力学第一定律对pV系统的应用(161)
 
4.4.1定容热容和内能(161)
 
4.4.2定压热容和焓(161)
 
4.4.3化学反应热(162)
 
4.5理想气体的热力学过程(163)
 
4.5.1焦耳实验(163)
 
4.5.2理想气体的内能和焓(164)
 
4.5.3理想气体的准静态过程(166)
 
4.6焦耳汤姆孙效应(173)
 
4.6.1焦耳汤姆孙实验(173)
 
4.6.2焦耳汤姆孙效应的初步解释(175)
 
4.7循环过程与热机(176)
 
4.7.1循环过程(176)
 
4.7.2卡诺循环(178)
 
*4.7.3热机(180)
 
第5章热力学第二定律(187)
 
5.1热力学第二定律的经典表述(188)
 
5.1.1热力学过程的方向性(188)
 
5.1.2热力学第二定律的经典表述(190)
 
5.2卡诺定理及其应用(193)
 
5.2.1卡诺定理(193)
 
5.2.2卡诺定理的应用(195)
 
5.3热力学温标(197)
 
5.4热力学第二定律的熵表述(200)
 
5.4.1克劳修斯不等式(200)
 
5.4.2熵(203)
 
5.4.3熵的计算(205)
 
5.4.4熵增加原理(208)
 
5.5熵的属性(211)
 
5.5.1熵与无序程度(211)
 
*5.5.2熵与可用能量(216)
 
*5.5.3熵与时间方向(218)
 
*5.6热机与环境(219)
 
5.6.1热机的能流(219)
 
5.6.2热污染和空气污染(221)
 
*5.7非平衡态与非平衡过程(223)
 
5.7.1近平衡的非平衡态(223)
 
5.7.2远离平衡的非平衡态系统(225)
 
第6章相变与潜热(229)
 
6.1相与相变(230)
 
6.1.1相与态(230)
 
6.1.2一级相变与潜热(231)
 
6.1.3相变的物理机制(232)
 
6.2气液相变(233)
 
6.2.1蒸发与凝结(233)
 
6.2.2沸腾(236)
 
*6.2.3湿空气与湿度(240)
 
6.3固液及固气相变(241)
 
6.3.1固液相变(241)
 
6.3.2固气相变(242)
 
6.4相平衡(243)
 
6.4.1相平衡条件(243)
 
6.4.2相图(245)
 
6.4.3相平衡时的参量关系(247)
 
*6.5临界现象(251)
 
6.5.1实际气体的等温线(251)
 
6.5.2临界状态(252)
 
6.5.3临界参数(254)
 
第7章非常规温度(257)
 
*7.1低温与极低温的获得(258)
 
7.1.1低温获得(258)
 
7.1.2极低温的获得(260)
 
*7.2热力学第三定律(262)
 
7.2.1绝对零度(262)
 
7.2.2零点问题(264)
 
7.2.3负温度(265)
 
*7.3低温世界的奇异物性(267)
 
7.3.1超流现象(267)
 
7.3.2超导现象(269)
 
7.3.3低温世界色彩纷呈(270)
 
*7.4高温条件下的物质(271)
 
7.4.1温度与等离子体(271)
 
7.4.2等离子体特有的性质(273)
 
*7.5等离子体的温度与热力学态(277)
 
7.5.1等离子体的温度概念(277)
 
7.5.2等离子体的热力学态(279)
 
7.5.3等离子体分类(280)
 
*7.6等离子体应用(281)
 
7.6.1高温等离子体聚变能应用(281)
 
7.6.2低温等离子体的应用(285)
 
习题(289)
 
部分习题参考答案(310)
 
参考书目(317)
 
附录热学中常用的物理常量(318)
 
常用概念中英文索引(319)
 
 
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