人们对于核技术和宇宙起源等物理理论耳熟能详，而对于日常生活的物理现象却知之甚少。“我们世界中的物理”是一套6册丛书，全景式地描述了对技术和社会产生影响的物理现象，有助于人们了解宇宙的本质和规律。

凯尔·柯克兰德博士所著的《时间与热动力学》揭示了热动力学的原理，以及它们对于人类生活和技术的影响，让读者更好地了解世界。

这本书包括了40多幅黑白照片和插图．附录国际单位及转换表。“我们世界中的物理”丛书是为那些渴望了解有趣的物理学知识的学生、老师和普通读者提供的一套基础读物。

凯尔·柯克兰德博士所著的《时间与热动力学(我们世界中的物理)》：冬天，凛冽的寒风吹过北方大地，而南方的许多城镇，则沐浴在温暖的阳光中。冷和热存在于我们生活的每一个角落。这本书平实而生动地描述了热力学的几个定律和它们的广泛影响。看似高深的热力学定律，其实都来源于人们的日常生活；只要稍微留心，便会发现，到处都是物理概念和定律在起作用。比如发烧时人的体温，炎炎夏日里的空调和人们常吃的烤羊肉串等等，不胜枚举。

同时热力学定律与高科技、时下的热点问题都是紧密相连的。例如书中讲述的喷气式战斗机中的引擎，用于夜间侦察的红外探测器等；还有人们普遍关注的全球变暖、臭氧层缺失等问题，都和热力学有着千丝万缕的联系。

时间对人类是一个永恒的话题，正如书名所提到的，时间在热力学中是一个关键的量，它与“熵”的概念紧密相关。热力学指出，一个物体的熵随时间的变化是有规律的。人们曾有过很多时光旅行的幻想，这本书从热力学角度科学地预测了它的可能性。当然书中的结论是基于科学基础上的预测，至于未来究竟怎样，要靠人类自己亲身去体验，去判断了。

《时间与热动力学(我们世界中的物理)》从最简单的温度说起，娓娓而谈，描述了热能、体温、热泵、热机等热动力学的基本概念，以及它们对我们这个世界的影响；并且讲述了热动力学对时间流逝的限制，以及人们穿越时空的可能性。

前言

鸣谢

简介

1 热与环境

 温度与热

温度与分子动能

 能量流

 制冷与加热

潜热与热容量

 一年四季

 城市热岛

 全球变暖

2 热与人体温度

 体温

 人体如何感知冷热

热的导体与绝缘体

 温血动物与冷血动物

 舒适区：保持合适的温度

 温度记录法

 极端温度与生活

3 热与技术

 利用技术控制温度

热力学第一定律

 冰箱与空调

热力学第二定律

 可逆热泵

 绝对零度

4 热机

 蒸汽动力

卡诺热机

 汽车发动机

 赛车用发动机

 喷气式发动机和燃气轮机

 未来的热机

5 时间

 钟表

钟摆与周期性

 时间与物理定律

 熵和无序度

修订后的热力学第二定律

 在时间中旅行

 宇宙的起源与结局

结语

国际单位制及其转换

译者感言

全球变暖

城市并不是目前正在变暖的唯一地区。最近出现了许多关于地球整体性变暖的讨论：地球表面的平均温度在最近100年内上升了O.55℃。虽然精确温度测量的记载从19世纪80年代刚刚开始，研究地球历史的科学家认为，20世纪是过去的1000年中最温暖的一个世纪。而且从1860年开始，10个最热的年份全部发生在1990年以后。这个世界范围的现象被称作全球变暖。

100年中上升零点几度听起来并不多。但是地球的环境保持在一个精巧的平衡上，而且严重的混乱可以是一些小的改变造成的结果。这就是所谓的“蝴蝶效应”，意思是说，诸如天气这样的复杂系统可以被看起来微小的变化所影响。

如果全球变暖继续进行，在不远的将来就会有严重的后果发生。极地的冰川可能会融化，造成海平面的上升和沿海地区的洪灾。海平面的平均位置在最近100年内上升了大约12.5厘米，一部分原因就是地表冰川的融化。(另一个造成升高的原因应当是热膨胀引起的。)格陵兰岛是位于北大西洋的一块大陆，表面有许多流动冰川，因为距离赤道的距离更近，岛上冰川的融化大概会比极地冰川要提前一些。如果格陵兰岛上的冰川全部融化的话，海平面的平均位置将会上升3—6米，足以引起沿海地区和低洼岛屿的严重洪灾。另一个全球变暖的灾难性后果是，诸如飓风一类的强烈暴风雨出现频率会增加。天气会在总体上变得更加多变，造成经济和农业上的许多困难。

了解全球变暖的原因非常重要，而且物理因素在其中起了关键作用。但是遗憾的一点是：全球变暖的成因不容易被察觉到，至今还没有完全弄清楚。

正如上文所说，城市地区开始逐渐变热，但是这与全球变暖却是两回事。从地球的表面积来看，城市地区只占了很小的比例。然而，由于我们的星球城市化的趋势正在变得越来越强，一些气象学家相信，城市热岛仍然会对全球变暖是有一定影响的。随着城区的扩张和新城市的出现，这个影响会只会越来越大。

但是许多科学家还是认为，全球变暖的主要来源是地球大气中特定气体含量的增加。这些气体是造成所谓温室效应的根源。温室效应是由于植物苗圃而得名的——所以有了温室这个词——它在这个过程中温度会升高。在植物温室中，热量是由玻璃限制住的，而不是气体。玻璃允许很宽范围内的电磁辐射穿过，包括可见光(玻璃是透明的)，但是不易穿过玻璃的辐射中包括红外线。而这恰好就是温暖物体会发射出的那种辐射。温室里的物体吸收太阳光中的热量，温度会升高。当它们变得更热的时候，就会辐射出更多的红外线，通常这个辐射会向周围的环境中散发热量。但是表面的玻璃阻止了热传递，所以温室内部甚至在寒冷的天气中也可以保持温暖。

在晴天中的一辆轿车内部的情况与此类似，这就是为什么宠物和儿童决不能留在门被锁住的轿车内。人们经常把车窗打开，来避免内部变得过热。这确实是一个基于物理规律考虑的聪明的举动——不仅红外辐射可以散发掉，而且对流气流也可以从内部带走一些热量。

如果包围着一个物体的区域允许太阳光的能量进入，而阻碍物体将热量辐射出去，那么这个物体就会变热，像温室效应一样。地球的大气起了类似的作用。所以大气中的气体就是温暖了地球表面的温室效应的根源。但是这不一定就是一件坏事——大气的温暖作用对生命来说至关重要，否则我们的星球会变得非常寒冷。从太阳吸收来的能量会以红外辐射的形式向外辐射，如果没有大气层，地球会维持在比现在低得多的热平衡温度上，很可能太冷以至于人类都不能生存。  大气层的重要性——或者它缺失造成的影响——在对太阳系行星的研究中显示得很清楚。火星是如此之冷，不仅因为它到太阳的距离更远，而且因为它稀薄的大气层。在相反的极端上，金星大气层的密度比地球大90倍，它的表面温度大约是460℃。大气层的影响通过观察水星可以清楚地表明出来，它是一个临近太阳的，没有大气层的行星。水星是距离太阳最近的行星，但是表面温度变化得非常剧烈。随着水星的旋转(它的旋转速度比地球慢得多)，朝向太阳的一面吸收了大量的太阳能，会变得异常的热，可以达到460℃。但是另一面(“夜”面)非常的寒冷，由于吸收的热量向空间中辐射掉了，温度可降至—180℃。大气层的存在将会使得水星上的昼夜温差大大降低。

大气层中的一些气体成分在吸收红外辐射上，比其他的气体成分效率更高。诸如二氧化碳、水蒸气和甲烷一类的气体可以吸收很多红外线。大气中天然存在这些气体，但是它们也可以在人类活动中产生——尤其是二氧化碳，它是大量的经济和科技活动的产物之一，例如燃烧天然气和石油。另外一些在工业进程中产生出来的化合物，例如氢氟烃和碳氟化合物，甚至是更强烈的温室气体。

理解全球变暖的物理机制中的难点在于，精确的确定造成升温的物质，以及它将如何影响未来的气候。温室气体的增加能够而且会促成温度的上升，但是没有人能够确定，现在的全球变暖现象中有多大比例是由于这个影响造成的。地球在人类起源之前的历史上，曾经历了冰川时代和变暖的时代。查明全球变暖的原因和它将要造成的后果并不容易，因为它的全球范围性——科学家不可能在他们实验室严格的和可控制的条件中，复制和研究这些问题。作为替代，理解和预测全球变暖的未来进程要靠复杂的模型和理论，它们也许精确，也许不精确。

全球变暖对于世界和人类文明的威胁的程度现在还不清楚。但是考虑到发生毁灭性灾难的可能性，它确实是一个值得关注的，包含了热力学和物理化学因素的问题。关于热的研究，远不仅是物理学家的简单有趣的练习，它将最终被证明对地球具有非常大的效用——而且是在全球范围内，影响到星球上的每一个人。

P20-23

1945年，两枚核弹终结了第二次世界大战，这是对物理学威力的一次展示，让人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科学头脑酝酿出的这次核爆炸摧毁了广岛和长崎这两座日本城市，迫使日本不得不无条件投降。应该说，物理学和物理学家的身影贯穿于第二次世界大战的始终，而原子弹只是最生动的一个例子。从那些用于炸坝的在水中跳跃前进的炸弹，到那些感应到船体出现便发生爆炸的水下鱼雷，第二次世界大战实际上也是一场科学的较量。

第二次世界大战让所有人，包括那些多疑的军事领导人相信，物理学是一门很重要的科学。然而，物理学的影响远远延伸到了战场之外，物理学原理几乎关系到世界的每个部分，触碰了人们生活的方方面面。飓风、闪电、汽车引擎、眼镜、摩天大厦、足球，甚至包括我们怎么走、怎么跑，所有这一切都要服从科学规律的安排。

在诸如核武器这样的话题或者有关宇宙起源的最新理论面前，物理学和我们日常生活的关系往往显得黯然失色。“我们世界中的物理”这套丛书的目标就是去探究物理学应用的各个方面，描述物理学如何影响科技、影响社会，如何帮助人们理解宇宙及其各个相互联系的组成部分的性质和行为。丛书覆盖了物理学的主要分支，包括如下主题：

◆力学与动力学

◆电学与磁学

◆时间与热动力学

◆光与光学

◆原子与材料

◆粒子与宇宙

“我们世界中的物理”丛书的每一册都阐释了有关某个主题的基本概念，然后讨论了这些概念的多种应用。虽然物理学是数学类学科，但这套丛书主要聚焦于思想的表达，而数学知识并不是重点，书中只涉及一些简单的等式。读者并不需要具备专门的数学知识，当然，对于初等代数的理解在有些时候还是很有帮助的。实际上，每一册可以讨论的话题的数量几乎是无限的，但我们只能选取其中的一部分。令人遗憾的是，不少有趣的东西就这样不得不被省略掉。然而，丛书的每一册都涉猎了非常广泛的材料。

我曾经参加过一个讨论会，会上一位年轻学生问教授们，是否需要备有最新版本的物理教科书。有一位教授回答说，不，因为物理学的原理“多年来一直没有改变”。这个说法大体上是对的，但这只是对物理学的效力的一个证明。物理学的另一个支撑来源于建立在这些原理之上的令人吃惊的诸多应用，这些应用仍在不断扩展和变化，其速度之快非同寻常。蒸汽机已经让位给了用在跑车和战斗机上的强大内燃机，而电话线也正在被光导纤维、卫星通讯和手机等取代。这套丛书的目标就是鼓励读者去发现物理学在各个方面、各个领域所起的作用，现在的、过去的以及不远的将来的……

从第二定律和卡诺热力发动机中体现出来的热力学定律，将会一直限制热力发动机的效率，不管机器的运作方式和构造如何。但通常这些极限还没有达到，例如汽车引擎的效率，还有提高的空间。虽然热力学定律要求一些热量必须通过尾气排放掉，但是仍然有大量的热不必要地从热力发动机中逃逸出来，升高周围环境的温度。对各种物质和材料的热传递的进一步研究可能会引领出更好的绝缘体，以及保存热量的改进方法，使得热量做功，而不是仅仅加热轿车的前盖或喷气引擎的外罩。

热力学研究也为其他进步做出了保证，其中包含许多实际的工程问题——也就是最先为热力学研究提供动机的那一类问题。但是还有一些研究会触动更基调的琴弦。最有趣的项目之一涉及了生命的起源。

生命起源这个问题充满争议，因为对许多人来说，这不仅是一个科学问题，而且牵扯到重要的宗教信仰。科学可能与宗教有某些联系，也许没有——这也是个有争议的问题——但是现在多数科学家认为地球大约形成于45亿年前，而且当大分子聚合在一起，并开始自我复制的时候，生命发生了。古生物学者(研究古代生命形式的科学家)还不确定生命发生的精确时间——最古老的生命痕迹存在于35亿年前的岩石中，但是这样的遗迹很微小，科学家不能肯定这遗迹是活生命体的真正化石，还是由与生命无关的某些化学过程形成的。但是，远古生物的化石清楚地显示在25亿年前的化石中，所以生命一定起源于数十亿年前。

如果生命开始演化的时候，大分子聚合在一起，并开始自我复制——而且假定没有人来指导这个过程——那么生命形成于自组织。生命是有组织的和有序的物质排列，所以在生命起源时，物质摆脱了它通常的状态——无序——而且将自己转变为复杂和有序的单元。热力学和熵的概念在这类过程中起了至关重要的作用。

自组织过程看起来似乎不可能——它像一座城市自己在森林中形成出来，或者一座房子把自己从原材料组装好一样。有序会减少熵，对自发过程是极其不可能的，尤其对庞大和复杂的过程，例如房屋、城市，甚至是一个微小的单细胞生物。但是只在孤立系统中，熵才是非常有可能增加的。熵和热力学第二定律并不排除有序的排列；这些概念仅仅说明，一些能量输入是必要的。如果有外来能量源驱动这个过程，自组织就可以发生，而且将整个系统考虑在内——能量源和生命的起始物质——熵是增加的。这类似于一个热力发动机，它可以做功，使得熵局部减少，同时排出一些热量到环境中，所以总的熵增加。

触发了早期生命的能量源到目前还不清楚。1953年，美国化学家哈罗德·尤里(Harold Urey)和他的学生斯坦利·米勒(Stanley Miller)进行了一个实验，在消毒后的细口瓶中充人氨气、甲烷、水和氢气，他们认为这类似于数十亿年前地球的环境。他们使用电火花类模拟闪电，作为能量源。尤里和米勒几天之后打开细口瓶，发现了与生命有关的复杂分子，例如氨基酸。这是最早显示由简单化合物形成复杂分子的实验之一。

热力学包括了熵、时间、能量转化和传递，而且在研究和寻找生命起源中是一个基本的考虑因素。回到过去的时间旅行明显不可能，意味着没人能够观察到究竟发生了什么，所以科学家必须利用热力学概念和理论，以及化石和生物定律，来拼接起这个故事。

现在生命起源依然充满了秘密。由于有了类似于尤里和米勒的实验，形成复杂生命分子——组成生命体的模块——已经不难理解。但是没人知道这些分子如何将自己组织为活体细胞。细胞具有DNA构成的基因的复杂排列，和由氨基酸组成的、担任多种重要任务的蛋白质，以及高度复杂的新陈代谢，它将食物中的能量转化为执行生命功能的燃料(这个过程减少了生物体内的熵，但是增加了环境中熵的总量)。生命如何从复杂的分子中发生是一个科学问题，只能从热力学定理来解释。