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熱力學練功寶典-熱的簡史

Engines, Energy, and Entropy-A Thermodynamics Primer

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內容簡介

諾貝爾獎得主為你寫的熱力學入門書!

本書適合:
★所有需要修「熱力學」的理工科系學生
★對科學有興趣的高中生
★所有想了解能源運用效率的社會人士
★母國光、牟中原、李遠哲、李開復、林孝信、高涌泉、張亞勤、黃俊傑
熱力推薦 (依姓氏筆畫排列)

誰說科學教材全都寫得「非人性」、又冷又硬?
諾貝爾化學獎得主John Fenn的這本《熱力學練功寶典》,
完全打破了傳統寫法。
全書回歸到人與歷史的角度,
作者精心塑造出來的「查理洞人」,會一路陪伴讀者,
透過許多日常經驗中可見的例子,
及生動的科學家故事,
很有系統的認識一切與「熱」有關的觀念、歷史和應用。

作者簡介

姜.范恩 John B. Fenn

  2002年諾貝爾化學獎得主,主題是大分子質譜學。范恩的得獎報告,題為「讓大象飛起來」,他給諾貝爾基金會的自傳,則只談到他在超音速分子束的研究工作。1970年代,范恩從普林斯頓大學轉任耶魯大學,在耶魯,他面臨如何教會一般學子(包括非理工科)懂得科學,古典熱力學便是入門之一,於是做了一個貫穿的授課綱要。1980年初,這個頗受歡迎的講稿應邀出書。由於本書特有的人文歷史架構,因此不但是很扎實的入門教本,更是一部帶有科學史縱深的科普佳作。(更詳細的事蹟,請見書末的「阿姜正傳」。)

譯者簡介

李乃信

  1971年進耶魯大學研究所,1972年參入范恩團隊,1976年取得耶魯大學化工博士,當年也是個超音速分子束迷。受惠於范恩的,主要是他的「講究動手」與科學的人文面,常和范恩抬槓,討論天南地北。博士後時期在科羅拉多大學,繼續耶魯所學,原也想立足學術界,但受范恩鼓勵,轉入工業界。1980年入杜邦化學公司,1984年入美國奇異公司,1986年入林科(Lam Research)公司,赴日運作,1991年入應用材料(Applied Materials)公司,1994年起任應用材料公司中國區總裁直到2003年退休。

 

目錄


引言
謝詞

1  一開始
冷熱本不同
從功取熱
功熱兩不同
希臘英雄進場
火藥先來了
蒸汽再次登場
回顧
練功

2  多熱才算熱?
以手測熱
早期的溫度計
可究竟什麼是溫度?
氣體測溫法
國際溫標
總結
溫標練習

3  系統、性質、狀態
一些通用術語的特定意義
溫度為何登場
和溫度的關係
莫耳和分子
理想氣體定律
其他的狀態方程式
一些案例
重點
狀態檢定考(「政治家才能」測驗)

4  回到工作(功)
概說機械功
膨脹氣體所做的功
壓力變化下的功
回到等溫膨脹之旅
案例
簡要
學會計功

5  再加把「熱」
熱是一件事
有多少熱發生?
模型及緣由
「熱子法典」與「冉福得鑽鏜」
案例
熱的細目
暖身練習

6  循環分析的起源
這引擎不是鬧著玩的
循環(但非繞圈子)的思維
卡諾的著名循環
卡諾連續循環的結果
引擎和定律
案例
記取循環
卡諾訓練

7  熱即是功,功即是熱,相去惟「能」
變換場景:從軍火庫到釀酒廠
力學和能量概念的源起
功和守恆系統
踏進力學
現在,把「熱」加進來
其他種類的能量?
案例
等效性的基本要素
等值練習

8  一難兩律
異地同時
舊酒新瓶
等壓加熱
無熱之功──絕熱膨脹與絕熱壓縮
卡諾循環再來一回!
案例
總結
執「法」練習

9  總而言之

10  HER「她」一言難盡
HER「她」在發電廠
HER「她」與科學
解決三個問題
備忘錄
HER「她」的更多暗示

11  頭巾下的「她」(引擎蓋下的HER)
奧圖循環或「火星點火」引擎
「辛烷數」遊戲
溫馴的柴油
效率 ? 環境
淨化空氣的成本問題
開車時想一想
引擎問題

12  進入熵的世界
性質屬性 ? 交互作用
「交互」出「性質」
算計熵的變化
再談「與路徑無關」
再練功一回
值得回憶
熵裡玄虛?

13  到底是熵
追求優雅
隔離系統的熵變
熵與第二定律
洞悉因果
熵之本性
序與亂

附錄1 力學性質──單位和測量
附錄2 對數花園導覽
附錄3 到處有熵
附錄4 元素原子質量
符號表
習題解答
阿姜正傳
譯後記
索引∕名詞解釋

 

序言

賀西巴赫(Dudley Herschbach)
1986年諾貝爾化學獎得主,哈佛大學教授

  范恩給了我們一本非凡的書。

  一眼瞟過章節、插圖、或者韻文,馬上就能感受到他那種貼切奇趣的特有氣質。不過,讀者可別以為這只是一本可口的小品。范恩對熱力學的「非典」闡述,其實是對它的莊嚴雄偉和廣泛用途的頌詞。他沒向「迴避數學」這一類詭辯式的呼籲低頭,還以自己的獨特風格,開闢出要瞭解熱力學微積分所必要的東西。

  能量與熵的妙境並非是什麼學術玄界,不過它也頗似美國女詩人瑪麗安?摩爾(Marianne Moore)的描述:「詩談的是一些想像的花園,花園裡頭有活生生的蛤蟆。」熱力學則檢視一些虛擬的程序,藉此鑒定出我們生活的真實世界裡,哪些程序是可能的。這樣的虛實分野和限制是重要、嚴謹而宏大的,適用於星雲、蛤蟆、分子,一視同仁。不過,就像詩一般,第一次念熱力學,會覺得它難解,通常是因為學生迷失在花園裡,或者給那些蛤蟆嚇了一跳。老是怪罪數學是沒用的,一大批選修經濟系課程的學生,照樣得用同等程度的微積分,而經濟學鮮少給出精準的推測,一點也不好玩。

  范恩講解的機巧和妙語,讓芸芸眾生都得以登堂入室一門頗為深奧的科學。他切入的特點是選用許多精心設計的例子,佐以歷史回顧或文化之旅。除了生動闡明一個主題,那歷史之旅還展現了科學如何進展,或順勢或猛跳,這和一隻蛤蟆的行止頗為類似。對許多人來說,這個面向和熱力學原理一樣具有?發性。就像藝術和音樂,科學很是「人性」的志業。過於單純,甚至完全無理的念頭,常常是打開全新看法的重要關鍵;真相總是耐心的靜待發現,原始粗糙的想法可以變形為優美而牢固的概念。就這樣一個煉丹術般的過程,熱力學緩緩的從蒸汽迷霧裡浮現,實實在在成為科學當中最有力的精靈之一。

  我感謝范恩開闢出一條引人入勝的悟徑,穿進這精靈居住的花園裡。

賀西巴赫(Dudley Herschbach),於哈佛大學

前言

范恩

  本書誕生於這兩個信念:(1)受過開明教育的人,應該懂些熱力學法則;(2)任何一個有點智力的人,即使沒有或幾乎完全沒有科學和數學的背景,也只需要適度的努力便可以懂得熱力學。

  以上的第一點,史諾(C. P. Snow)已經在《兩種文化》這本引起極大討論的書中,極具說服力的論斷過,教人難忘。我同樣相信,對於受過開明教育的人而言,和欣賞莎士比亞戲劇同等重要的是:能夠瞭解究竟是什麼驅動了車輪,讓車子把他們帶到劇場!

  至於第二點,則與校園裡流傳的說法有點矛盾。俗謂:即使是理工科的學生,也得在鑽研兩三遍以後,才能理解熱力學的精髓。當然,我本人第一次碰到這個主題時,也挺迷惑不解,遑論領悟。不過,經過二十多年的繼續學習,以及嘗試教好這門科學,我想我開始瞭解為什麼這種說法會留存下來,雖然我倒變得愈來愈不認同它的真實性。

  熱力學分析裡所採用的形式運算與說理鋪排是很簡單的——簡單到教人毫不起疑,甚至是容易誤信的。可是,這形式裡所牽扯的物理量(quantity)很是抽象。當中的一些物理量,還以多種面貌棲居在可觀測到的世界裡,經常不太容易給辨識清楚。許多初學者碰到的困難,無疑是辨識的問題。他們折騰在這些過程裡頭:將實際物理情況「轉譯」成形式文字,從觀測中萃取必要的物理量來加工運算。這個形式可以說是一個描述現實世界的某種語言,而初學者正支支吾吾的把這個現實世界的東西和程序,對應到這種語言的名詞和動詞。

  我所熟悉的傳統教本裡,多在強調形式及其運算,而忽略了「轉譯」的問題。他們執著在文法上,而以為人人都曉得文義。這樣就助長了愈來愈多的公式推演本,將熱力學化約為一種制式習作:從一開始幾個簡單的假設,演繹出一大套的公式條文。另一個流行的做法是:先假定一個微觀的原子和分子的物質模型,加以適當的力學和統計學,然後導出宏觀的熱力學陳述。以上這些方法,各有其引人之處,也是學生該經驗到的一部分。但是,我總以為這樣的切入太不自然,離開可見、可聞、可感的日常經驗太遠;這些經驗正是大家賴以建構自己與宏觀的古典熱力學程序之間密切關係的基台,而古典熱力學又如此有效的描述了這個世界。

  當然,從歷史的觀點,如今所謂的古典熱力學,原是生根於過去一些智者的洞見能力。他們能夠從相對有限的個案觀察中,歸納出一些普遍的結論。如此的有力和優雅,表明了歸納法的成功。確切的說,演繹法是個重要的角色,可從一般的原則推導出「特定」的結論。可是要瞭解和放心的運用這些原則,要熟練的將這些原則和真實的世界掛鉤,我認為一個人必須設身處地的重走一次歸納法路子,重溫當初智者們的發現過程才行。

  在寫此書的時候,我嘗試強調與闡明「轉譯」的程序,不斷訴諸讀者自己的切身經驗,同時也把這個程序連結到我們整個人種的共同經驗。長久以來,我一直和大家分享的觀點就是:個人的學習過程,與整個人類的學習過程極為相似。所以,有相當的歷史滲入到這本書的字裡行間。大部分學生欣賞這樣的歷史觀點,不過也有些學生,剛開始時相當強烈的覺得,歷史和其他人文的點綴,不適合出現在一本科技書裡。出乎我意料之外的是,大部分負面的反應來自人文、藝術、或社會科學的文科學生!他們落入一種窠臼,認定科技就是完全非人性、全然客觀的生冷形象,因而當他們發現,科學的活動,無論在目的和方法上,都是非常「人性」的努力和作為,反而似乎有點挫折感。同樣這些學生,對我想達到的不拘形式的輕鬆氣氛,反倒不安起來;他們對「查理洞人」這個角色感到不自在。好在,他們最後總算放輕鬆了,能夠毫無束縛的享受學習之樂。

  這本書尚未付梓之前,曾經以講義手稿的形式,用在耶魯大學化學和物理的初級課程裡。因為這些課程的標準教本涵蓋了太多的課題,所以只能讓出一點點空間,很梗概的介紹熱力學的方法與應用。對於主修生物學和地質學的同學而言,熱力學在他們的科系裡愈來愈重要,而本書該是最容易切入的入門導論。然而,物理科學和工程科系的同學,就需要修習一門單獨的熱力學,他們應該會感受到本書的好處,一方面因為本書的觀點和切入方法有別於其他標準本,另一方面也因為本書解答了一些他們不太敢問的(其他版本又忽略的)、看起來太基本的問題。儘管本書簡單易懂,或者正由於它簡單易懂,因此可以做為一個學期的基礎教本,特別適用於工學院的一、二年級熱力學。如果能完全瞭解本書的內容和演練習題,同學們對熱力學的掌握,將和大多數使用其他傳統標準本的同學不分軒輊。

  從我以上的話,本書顯然是個非典熱力學版本。我不說它是完整、嚴密、或優美的;也不說它構成一套學門大綱──意思是說,一個組織好的「過關」用的教本,學完課程了就應取得相應的資格能力,以便踏入其他相關但不同的領域。反之,本書的目的只是要引導讀者,來輕鬆的瞭解熱力學的基本原理和方法。

  毫不臉紅的簡單基本,本書力求真實單純。

姜.范恩(John B. Fenn)

 

詳細資料

  • ISBN:9789862162712
  • 規格:平裝 / 343頁 / 17 x 23 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

1 一開始

我們從介紹非常基本的「熱」和「功」的概念開始。
為了強調這兩個概念有多麼原始,我們得想像我們的祖先之一,在他的日常生活經驗裡,會怎麼樣對待這兩者。當然,我們得揣測一番這段虛幻的、無史可考的時間之旅。我們簡單的假定,有一位原型遠祖,有幸擁有跟我們差不多的感官和腦袋,他對外界刺激的基本反應也跟我們差不多。

然後,我們找出演化過程中的幾個關鍵點,這裡講的是差不多兩千多年來,人類開發出能夠從「熱」轉出「功」來用的引擎演化史。回頭看,會詫異怎麼要那麼長的時間,才有引擎;如果往前看呢,它居然發生了,簡直是不可思議。不管怎麼樣,今天,熱引擎(熱機)在文明的舞臺上可是個重要角色。下面,本書將辨明並闡釋,人類對於這個領銜舞者和重要推手,究竟知道些什麼,從中又學到了什麼。


≫ 冷熱本不同
我們的原型遠祖查理「洞人」(我們將如此稱呼他),從來沒有聽說過熱力學什麼的,不過他正是這門學問的早期學徒。對於熱(heat)這個字是什麼意思,他有一種原始但可用的理解。雖然他懂得的字不多,和今天上過多年學校,經歷過多年文明洗禮的人們相比,他談起熱的本質來,可能和他們說的差不多一樣「清楚」。「熱」這個字幾乎一點也不清晰明確。一本普通的字典,便可以找出十個有關這名詞的字義,再加上幾個動詞的意思。然而,我們即將看到,甚至就它的原始意義來說,我們稱之為「熱」的東西,長久以來便困惑了不少非常聰明的人。

回到查理吧。他自然沒有搞清楚他所認識的有關熱的林林總總,我們且推敲一下他究竟知道了些什麼。本質上,他所知道的,不外是和你我一樣的第一手經驗。太陽底下曬的石頭,摸起來就和陰涼處的石頭不一樣。踏進附近的淺池子,感覺要比那山泉溪流暖和得多。冬天他冷得發抖,夏天他直冒汗。冷熱之間的不同,對他饒有意思,因為兩者直接衝擊了他的感官,教他馬上感覺到。

查理也約略曉得什麼是熱絕緣物,雖然他從來沒叫過這名稱。仲夏之日,樹蔭下讓他涼爽點;春天來了,樹葉下的冬雪還沒融化。另一方面,他可以鑽進一堆枯葉裡保暖;當他富有一點了,可以穿上動物的皮毛,裹著熊皮坐在雪岸上,自然要比光著身子更耐得住。

馴服了火之後,有好幾次,火把他從燒著的樹屋裡趕了出來,查理就搬到山洞裡住定,做起「洞人」來。於是,他對熱的經驗大大增加了。木柴燃燒提供強烈的熱源,又容易掌握,可以帶來帶去。柴火加熱東西的速度比太陽快多了。火邊的石頭燙得沒辦法碰。說不定,第一個家庭熱水器就是這樣來的:把燙手的石頭趕快丟進水桶裡。如果有人問他,他可能會回答:不錯,每當熱的東西和冷的東西放在一起,熱的便會冷下去,冷的便會熱起來。不過,幹嘛要問這個每個人都知道的愚蠢問題?

查理不久就知道:一些東西在火中或碰到燙石的時候,那變化可不是熱起來而已。木柴會燃燒起來,肉可以烤熟,冰雪會融化,水可以沸騰或乾掉,陶土給烘得堅硬,石塊會裂開。關於熱絕緣物的教訓也繼續增長:只要找幾片綠葉裹住手,他就可以把烤熟的肉從營火上扯下來,手也不會燙出水泡;穿上樹皮鞋底的新涼鞋,他可以坦然走在曬得發燙的石塊上。

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