冬天,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。這本書平實(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。
同時(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。
時(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,這本書從熱力學(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。
《時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》從最簡(jiǎn)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。
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。“我們世界中的物理”是一套6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。 凱爾·柯克蘭德博士所著的《時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》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。 這本書包括了40多幅黑白照片和插圖.附錄國(guó)際單位及轉(zhuǎn)換表!拔覀兪澜缰械奈锢怼眳矔菫槟切┛释私庥腥さ奈锢韺W(xué)知識(shí)的學(xué)生、老師和普通讀者提供的一套基礎(chǔ)讀物。
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(zhǎng)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)趺醋摺⒃趺磁,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(jiǎn)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……
凱爾·柯克蘭德博士(Kyle Kirkland),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Fscts 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。
前言
鳴謝
簡(jiǎn)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?br>舒適區(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(guó)際單位制及其轉(zhuǎn)換
譯者感言
全球變暖
城市并不是目前正在變暖的唯一地區(qū)。最近出現(xiàn)了許多關(guān)于地球整體性變暖的討論:地球表面的平均溫度在最近100年內(nèi)上升了O.55℃。雖然精確溫度測(cè)量的記載從19世紀(jì)80年代剛剛開始,研究地球歷史的科學(xué)家認(rèn)為,20世紀(jì)是過去的1000年中最溫暖的一個(gè)世紀(jì)。而且從1860年開始,10個(gè)最熱的年份全部發(fā)生在1990年以后。這個(gè)世界范圍的現(xiàn)象被稱作全球變暖。
100年中上升零點(diǎn)幾度聽起來并不多。但是地球的環(huán)境保持在一個(gè)精巧的平衡上,而且嚴(yán)重的混亂可以是一些小的改變?cè)斐傻慕Y(jié)果。這就是所謂的“蝴蝶效應(yīng)”,意思是說,諸如天氣這樣的復(fù)雜系統(tǒng)可以被看起來微小的變化所影響。
如果全球變暖繼續(xù)進(jìn)行,在不遠(yuǎn)的將來就會(huì)有嚴(yán)重的后果發(fā)生。極地的冰川可能會(huì)融化,造成海平面的上升和沿海地區(qū)的洪災(zāi)。海平面的平均位置在最近100年內(nèi)上升了大約12.5厘米,一部分原因就是地表冰川的融化。(另一個(gè)造成升高的原因應(yīng)當(dāng)是熱膨脹引起的。)格陵蘭島是位于北大西洋的一塊大陸,表面有許多流動(dòng)冰川,因?yàn)榫嚯x赤道的距離更近,島上冰川的融化大概會(huì)比極地冰川要提前一些。如果格陵蘭島上的冰川全部融化的話,海平面的平均位置將會(huì)上升3—6米,足以引起沿海地區(qū)和低洼島嶼的嚴(yán)重洪災(zāi)。另一個(gè)全球變暖的災(zāi)難性后果是,諸如颶風(fēng)一類的強(qiáng)烈暴風(fēng)雨出現(xiàn)頻率會(huì)增加。天氣會(huì)在總體上變得更加多變,造成經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)上的許多困難。
了解全球變暖的原因非常重要,而且物理因素在其中起了關(guān)鍵作用。但是遺憾的一點(diǎn)是:全球變暖的成因不容易被察覺到,至今還沒有完全弄清楚。
正如上文所說,城市地區(qū)開始逐漸變熱,但是這與全球變暖卻是兩回事。從地球的表面積來看,城市地區(qū)只占了很小的比例。然而,由于我們的星球城市化的趨勢(shì)正在變得越來越強(qiáng),一些氣象學(xué)家相信,城市熱島仍然會(huì)對(duì)全球變暖是有一定影響的。隨著城區(qū)的擴(kuò)張和新城市的出現(xiàn),這個(gè)影響會(huì)只會(huì)越來越大。
但是許多科學(xué)家還是認(rèn)為,全球變暖的主要來源是地球大氣中特定氣體含量的增加。這些氣體是造成所謂溫室效應(yīng)的根源。溫室效應(yīng)是由于植物苗圃而得名的——所以有了溫室這個(gè)詞——它在這個(gè)過程中溫度會(huì)升高。在植物溫室中,熱量是由玻璃限制住的,而不是氣體。玻璃允許很寬范圍內(nèi)的電磁輻射穿過,包括可見光(玻璃是透明的),但是不易穿過玻璃的輻射中包括紅外線。而這恰好就是溫暖物體會(huì)發(fā)射出的那種輻射。溫室里的物體吸收太陽光中的熱量,溫度會(huì)升高。當(dāng)它們變得更熱的時(shí)候,就會(huì)輻射出更多的紅外線,通常這個(gè)輻射會(huì)向周圍的環(huán)境中散發(fā)熱量。但是表面的玻璃阻止了熱傳遞,所以溫室內(nèi)部甚至在寒冷的天氣中也可以保持溫暖。
在晴天中的一輛轎車內(nèi)部的情況與此類似,這就是為什么寵物和兒童決不能留在門被鎖住的轎車內(nèi)。人們經(jīng)常把車窗打開,來避免內(nèi)部變得過熱。這確實(shí)是一個(gè)基于物理規(guī)律考慮的聰明的舉動(dòng)——不僅紅外輻射可以散發(fā)掉,而且對(duì)流氣流也可以從內(nèi)部帶走一些熱量。
如果包圍著一個(gè)物體的區(qū)域允許太陽光的能量進(jìn)入,而阻礙物體將熱量輻射出去,那么這個(gè)物體就會(huì)變熱,像溫室效應(yīng)一樣。地球的大氣起了類似的作用。所以大氣中的氣體就是溫暖了地球表面的溫室效應(yīng)的根源。但是這不一定就是一件壞事——大氣的溫暖作用對(duì)生命來說至關(guān)重要,否則我們的星球會(huì)變得非常寒冷。從太陽吸收來的能量會(huì)以紅外輻射的形式向外輻射,如果沒有大氣層,地球會(huì)維持在比現(xiàn)在低得多的熱平衡溫度上,很可能太冷以至于人類都不能生存。
大氣層的重要性——或者它缺失造成的影響——在對(duì)太陽系行星的研究中顯示得很清楚;鹦鞘侨绱酥,不僅因?yàn)樗教柕木嚯x更遠(yuǎn),而且因?yàn)樗”〉拇髿鈱。在相反的極端上,金星大氣層的密度比地球大90倍,它的表面溫度大約是460℃。大氣層的影響通過觀察水星可以清楚地表明出來,它是一個(gè)臨近太陽的,沒有大氣層的行星。水星是距離太陽最近的行星,但是表面溫度變化得非常劇烈。隨著水星的旋轉(zhuǎn)(它的旋轉(zhuǎn)速度比地球慢得多),朝向太陽的一面吸收了大量的太陽能,會(huì)變得異常的熱,可以達(dá)到460℃。但是另一面(“夜”面)非常的寒冷,由于吸收的熱量向空間中輻射掉了,溫度可降至—180℃。大氣層的存在將會(huì)使得水星上的晝夜溫差大大降低。
大氣層中的一些氣體成分在吸收紅外輻射上,比其他的氣體成分效率更高。諸如二氧化碳、水蒸氣和甲烷一類的氣體可以吸收很多紅外線。大氣中天然存在這些氣體,但是它們也可以在人類活動(dòng)中產(chǎn)生——尤其是二氧化碳,它是大量的經(jīng)濟(jì)和科技活動(dòng)的產(chǎn)物之一,例如燃燒天然氣和石油。另外一些在工業(yè)進(jìn)程中產(chǎn)生出來的化合物,例如氫氟烴和碳氟化合物,甚至是更強(qiáng)烈的溫室氣體。
理解全球變暖的物理機(jī)制中的難點(diǎn)在于,精確的確定造成升溫的物質(zhì),以及它將如何影響未來的氣候。溫室氣體的增加能夠而且會(huì)促成溫度的上升,但是沒有人能夠確定,現(xiàn)在的全球變暖現(xiàn)象中有多大比例是由于這個(gè)影響造成的。地球在人類起源之前的歷史上,曾經(jīng)歷了冰川時(shí)代和變暖的時(shí)代。查明全球變暖的原因和它將要造成的后果并不容易,因?yàn)樗娜蚍秶浴茖W(xué)家不可能在他們實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格的和可控制的條件中,復(fù)制和研究這些問題。作為替代,理解和預(yù)測(cè)全球變暖的未來進(jìn)程要靠復(fù)雜的模型和理論,它們也許精確,也許不精確。
全球變暖對(duì)于世界和人類文明的威脅的程度現(xiàn)在還不清楚。但是考慮到發(fā)生毀滅性災(zāi)難的可能性,它確實(shí)是一個(gè)值得關(guān)注的,包含了熱力學(xué)和物理化學(xué)因素的問題。關(guān)于熱的研究,遠(yuǎn)不僅是物理學(xué)家的簡(jiǎn)單有趣的練習(xí),它將最終被證明對(duì)地球具有非常大的效用——而且是在全球范圍內(nèi),影響到星球上的每一個(gè)人。
……