01 / 导读
导读
引用
Atkins, P. (2010). The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction. Oxford University Press.
章节概要
本书是牛津“Very Short Introductions”（通识读本）丛书中的一本口袋平装书，约128页。序言之后是五章正文、简短的结语和延伸阅读书目：四条定律各占一章，在第二定律和第三定律之间另有一章讲自由能。本书的早先版本曾以 Four Laws That Drive the Universe 为题出版，出版社的介绍引用了对该版的书评。出版社称本书用通俗的语言、“几乎不用数学”，一步一步引导读者；结语则强调，对这些定律的分子层面的解释丰富了基于宏观测量建立起来的理论。
第1章：第零定律
本章从这样一条定律出发：两个物体若分别与第三个物体处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡；并用它来定义温度。其间还梳理了热力学的基本术语（系统、环境、平衡）。随后转向分子图像，即玻尔兹曼分布：一个状态的布居数随其能量呈指数下降。化学教学网站 ChemEdX 的评论者指出，阿特金斯在这里论证，通常记作β的参数比T本身更适合用来表示温度。
第2章：第一定律
第一定律把能量守恒推广到热和功，用封闭系统的内能来表述。本章介绍了功、热、内能、焓、热容和可逆性。阿特金斯在章首说，这条定律通常被认为最容易理解，但它比简单的概括所显示的要有趣得多。
第3章：第二定律
本章通过能量的耗散和热机的运行引入熵，并说明一个原本用于计算蒸汽机效率的式子如何引出以功来定义的绝对温标。蒸汽机是反复出现的意象：阿特金斯把这种将能量耗散转化为有序运动的装置，作为包括人体内部过程在内的各种过程的模型。
第4章：自由能
自由能是系统能量中可用于做功的部分。本章定义了亥姆霍兹能和吉布斯能，把它们与自发变化联系起来，并将其应用于相变、化学平衡以及为新陈代谢生成ATP这样的生物过程。ChemEdX 的评论者是一位化学教师，他称赞本章对这一学生普遍感到困难的主题讲得更为详细。
第5章：第三定律
最后一条定律涉及绝对零度以及接近它的尝试。据 ChemEdX 的书评介绍，阿特金斯指出，由于温度、内能和熵已经承载了整个学科，第三定律与前三条定律并不处于同一层次。出版社称本章一直讲到绝对零度的边缘，甚至越过这一边缘。
结语
简短的总结。第零、第一和第二定律各引入一个性质（温度、内能和熵）；第一定律限定了哪些变化是可能的，第二定律从中挑出能自发发生的变化，第三定律则使热力学的分子表述与经验表述相互吻合。
核心概念
第1–2章：温度与能量
- 热平衡与温度：第零定律使温度成为一个定义明确的性质。
- 玻尔兹曼分布：分子状态的布居数随能量呈指数下降，从而赋予温度分子层面的意义。
- 内能与焓：系统所含的能量，以及在恒压过程中使用方便的相关量。
- 可逆性：通过无穷小的调整即可逆转的理想化变化，在后面的定律中起核心作用。
第3–4章：熵与自由能
- 熵：无序程度或能量品质的量度；第二定律指出，孤立系统的熵永不减少。
- 热机与效率：引出第二定律和绝对温标的蒸汽机分析。
- 亥姆霍兹能与吉布斯能：可用于做功的能量，决定恒温过程能否自发进行。
第5章：绝对零度
- 绝对零度与第三定律：关于最低可能温度以及接近它的尝试的定律，阿特金斯认为它与前三条定律地位不同。
评析
优点
- 概念先于计算。 本书把数学减到最少，篇幅用在阐明温度、能量和熵的含义上。出版社引用的对早先版本的书评（来自 Nature、Science、Chemistry World 和 New Scientist）特别称赞了它的清晰、结构严谨和插图。
- 分子观点与经典观点并举。 从第1章的玻尔兹曼分布到结语中关于第三定律的论述，本书不断回到宏观定律与分子行为之间的关系。
- 单独一章讲自由能。 为亥姆霍兹能和吉布斯能单设一章，并配以化学和生物学的例子，适合在化学课和工程课中都会遇到自由能的学生。
- 作者具有权威性。 出版社称阿特金斯是热力学领域的权威，所引书评也强调其文字简练、精确而幽默。
局限
- 不是工程教材。 无论目录还是书评，都没有显示书中有物性表、控制体分析或习题；本书解释概念，但不教授工程热力学课程所考查的解题能力。
- 化学家的侧重点。 自由能一章的例子来自化学和生物学，而不是发电厂或制冷。
- 篇幅很短。 全书约128页小开本，每章只有15到25页左右，足以把概念讲清，却不足以深入展开。
在课程中的定位
阿特金斯的书是热力学书目中的概念伴读书，也是其中唯一一本以理解定律而非把定律应用于工程系统为目标的书。Turns 和 Pauley 的 Thermodynamics: Concepts and Applications 是书目中的入门工程教材：在阅读它的开头几章之前或同时阅读阿特金斯的第1–3章，可以在能量分析和熵分析方法登场之前，对温度、能量和熵究竟是什么形成清晰的认识。对篇幅更大的标准工程教材也是如此，即 Çengel、Boles 和 Kanoglu 的 Thermodynamics: An Engineering Approach，Borgnakke 和 Sonntag 的 Fundamentals of Thermodynamics，以及 Moran、Shapiro、Boettner 和 Bailey 的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics，其中任何一本都可以作为课程的主教材。Bejan 的 Advanced Engineering Thermodynamics 是把第一和第二定律作为设计工具的研究生教材，远远超出这本入门书的范围。
如何使用本书
本书适合刚开始学习热力学的工科、物理和化学专业一年级学生，也适合那些通过了热力学课程却仍觉得没有真正理解熵的人。具备中学理科知识即可，书中为数不多的公式都有文字解释。
- 课程开始前或最初几周： 按顺序读第1–3章。只需几个晚上，就能为工程教材中更形式化的定义建立一个框架。
- 课程讲到熵和第二定律时： 重读第3章，留意蒸汽机的论证如何引出熵和绝对温标。
- 与化学相关的课程： 讲自由能的第4章对化学平衡和相变最有帮助。
- 选读： 第5章和结语为全书收尾，值得读一遍。
把本书当作伴读书而不是替代品：在主教材中练习计算，每当某个定义似乎失去了物理含义时，就回到阿特金斯这里。想进一步学习的读者，可以参考延伸阅读书目中更详尽的著作。