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