现代热力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Ji-Tao WANG

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:2009-9

价格:72.00元

装帧:

isbn号码:9787030255655

丛书系列:

图书标签:

• 王季陶
• 热力学
• 现代热力学
• 物理学
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• 传热学
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• 能源
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• 热力学性质
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跨越边界的探索：一部关于物质、能量与宏观规律的深度剖析 图书名称：超越热力学：非平衡态、信息与演化的新视角 图书简介 本书旨在为科学、工程及哲学领域的读者提供一个超越经典热力学框架的广阔视野。我们不再仅仅关注宏观系统的平衡状态和可逆过程，而是将焦点投向非平衡态动力学、信息熵的概念演进以及复杂系统在时间维度上的自发演化规律。这部著作力求构建一座桥梁，连接统计物理学的微观基础与宏观现象的复杂涌现，揭示驱动宇宙万物从有序走向无序，或在特定条件下实现复杂结构维持的深层机制。 第一部分：非平衡态的拓扑与流形 经典热力学以孤立系统趋于最大熵的平衡态为核心。然而，我们所处的真实世界几乎完全由远离平衡态的开放系统构成。本部分深入探讨了如何描述和量化这些系统的状态。 我们从动力学系统理论的视角切入，引入了庞加莱截面、吸引子和混沌系统的概念。重点分析了弛豫时间和特征时间尺度在定义一个系统是否处于“准平衡”状态中的决定性作用。通过对Langevin方程和Fokker-Planck方程的细致推导，本书展示了如何从微观随机涨落（如布朗运动）构建出宏观的耗散过程。 核心章节聚焦于非平衡定态（Non-Equilibrium Steady States, NESS）的特性。不同于平衡态的单一性，NESS可以表现出丰富的拓扑结构。我们详细讨论了线性不可逆热力学的适用边界，并转向更普适的Onsager倒易关系在非线性区域的失效与修正。引入了幅散耗散函数（Dissipation Function）的概念，用以衡量系统在给定流（Fluxes）驱动下维持非平衡状态所必须付出的能量代价。 特别值得一提的是，本书引入了随机遍历性（Ergodicity Breaking）在非平衡系统中的新解读。当系统被限制在特定的相空间子流形上时，其时间平均可能不再等于系综平均。通过对量子退火过程和快速淬火的案例分析，我们阐明了路径积分方法在处理动态演化中的优势。 第二部分：信息、熵与涨落的量化 信息论与热力学之间的深刻关联是理解非平衡系统的关键。本部分超越了仅将信息视为“负熵”的传统观点，探讨了信息流如何驱动和塑造耗散过程。 详细解析了Shannon信息熵与热力学术语熵之间的精确关系，特别是当信息是以概率分布的形式存在时。我们深入探讨了Guillemin-Steinberg定理在信息耗散中的体现，论证了任何信息处理过程都必然伴随着最小的能量耗散。 本书的核心贡献之一是对涨落定理（Fluctuation Theorems）的系统梳理。从Jarzynski等式到Crooks涨落定理，我们展示了如何通过对小偏差和非平衡路径的分析，重建出热力学第二定律的更强形式。这些定理的核心在于揭示了在短时间内，系统可以暂时性地违反宏观熵增原理，但这种“退行”的概率与熵增的量度之间存在严格的指数关系。 我们还探讨了信息熵在复杂系统中的组织作用。通过对突变信息（Mutual Information）的分析，我们量化了系统中不同组分之间的耦合强度。这为理解生物系统中的信息传递和自催化网络提供了坚实的物理基础。例如，在随机化学反应网络中，信息熵如何指导反应路径的选择，避免陷入无效的局部极小值。 第三部分：耗散结构与宏观自组织 何以宇宙在不断膨胀和熵增的宏观趋势下，依然能够涌现出高度有序的复杂结构（如生命、星系团）？本部分集中讨论了耗散结构理论的最新进展，将其置于非平衡热力学的框架内进行检验。 重点分析了Prigogine的最小熵产生原理（Minimum Entropy Production, MEP）。我们清晰界定了MEP适用的严格条件——即系统必须处于线性非平衡态，且远离热力学临界点。随后，我们转向了更具普遍性的最大熵产生原理（Maximum Entropy Production, MaEP）在特定环境下的适用性探讨，尤其是在涉及非线性反馈和演化过程的系统中。 本书通过对Bénard对流和化学振荡反应（如Belousov-Zhabotinsky反应）的深入建模，展示了超临界分岔如何从无序的背景中激发有序的宏观模式。我们使用Ginzburg-Landau型序参量方程来描述这些自组织现象的演化规律，并将其与Landau自由能的概念进行了巧妙的类比，尽管系统并未达到热力学平衡。 最后，本部分讨论了演化作为一种热力学现象的观点。从分子生物学的角度看，生命系统的持续存在是对局部熵增的“偷运”行为。我们探讨了自由能梯度驱动下的自复制模型，论证了耗散系统在特定条件下，倾向于发展出能够更有效率地耗散环境能量梯度的结构，这构成了复杂性涌现的根本驱动力。 总结： 本书并非对传统热力学的替代，而是对其适用范围的精确界定和理论深度的拓展。它要求读者放弃对“平衡”的执念，转而拥抱“过程”与“变化”。通过整合动力学、信息论和耗散结构理论，本书提供了一套统一的工具箱，用以剖析从微观随机过程到宏观复杂涌现现象的普遍物理规律。读者将获得一个全新的视角，理解物质和能量在时间河流中如何编织出现代宇宙的复杂图景。

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这本书最让我感到惊喜的是其在历史脉络梳理上的独到见解，它不仅仅是在介绍物理定律，更像是在重述人类认识自然界边界的艰辛历程。作者对“热功当量”的发现过程，没有简单地引用焦耳的实验数据，而是花了大量的笔墨去还原当时科学界对待“热”这一概念从“以太流体说”到“能量形式”转变时的巨大思想阻力。阅读这部分内容时，我仿佛置身于十九世纪的实验室，感受到了科学真理在被接受之前的那些挣扎和争论。这种对历史背景的深度挖掘，极大地丰富了单纯物理公式背后的文化和哲学内涵，让枯燥的定律变得有血有肉。书中对“信息与熵”关系的探讨，虽然在篇幅上不算多，但角度非常新颖，它没有完全倒向香农的信息论，而是巧妙地在玻尔兹曼的统计观中寻找一个平衡点，暗示着信息作为一种物理实在的可能性。这种跨学科的融合能力，使得整本书的格局瞬间打开，不再局限于狭隘的物理范畴，而是在探讨关于“秩序、无序与知识”的终极问题，让人在合上书本后，久久不能平静，思考良多。

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这本书的封面设计得很有质感，深蓝色系的底色配上银灰色的字体，给人一种沉稳而专业的印象。初拿到手时，那种厚重感就让人觉得分量十足，翻开扉页，里面的排版清晰有序，图表和公式的呈现方式都非常直观，对于物理学的专业书籍来说，这一点太重要了。我特别欣赏作者在处理复杂概念时的耐心，比如对熵增原理的阐述，他没有直接堆砌复杂的数学公式，而是先从宏观的、日常生活中随处可见的现象入手，比如房间的自然混乱、热咖啡的冷却，逐步引导读者进入到微观的统计力学层面，这种“润物细无声”的教学方式，让我这个自认为对热力学有点畏惧的读者，在阅读过程中竟然感到了某种程度上的“豁然开朗”。特别是关于热力学第二定律的几种不同表述，作者居然能用一种近乎哲学的笔触，将克劳修斯、开尔文以及玻尔兹曼的观点巧妙地串联起来，而不是简单地罗列定义。书中对相变过程的讨论也极其细致，不仅仅停留在相图的解读，更深入探讨了临界现象背后的物理机制，这让我感觉这不是一本教科书，更像是一位经验丰富的老教授在你耳边细细讲解，让人受益匪浅，绝对是值得反复研读的佳作。

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这本书的阅读体验非常类似于听一场大师级的室内乐演奏，每一个乐章的衔接都体现出深厚的功力，但如果你不是科班出身的乐评人，很多精妙的对位和变奏可能会让你感到困惑和疲惫。作者在构建理论体系时，采用了非常严谨的“公理化”方法，从最基本的假设出发，层层递进地构建起整个热力学大厦。这种结构的好处是毋庸置疑的——它保证了理论的自洽性和完备性。但弊端也很明显：对于希望快速掌握“如何应用”的读者来说，等待时间太长了。我花了整整一周的时间才啃完前三章关于宏观热力学的回顾，其中大量的篇幅被用于定义、公理和逻辑推导的细枝末节。书中关于实际工程应用的例子少得可怜，即便有，也往往被高度抽象化，缺少那种能让人立刻在脑海中建立联系的“真实世界案例”。这使得这本书更像是一本面向理论物理学家的“圣经”，而不是面向化学工程或材料科学专业学生的工具书。它教你“为什么”是对的，但很少告诉你“如何”用它来快速解决一个实际问题，对于那些需要应付考试或项目进度的读者，可能需要辅以其他更侧重应用的书籍来平衡阅读体验。

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这本书的语言风格简直是冰冷到极致，仿佛作者本人就是一台高度精确的计算机器，每一个句子都像是经过了最严谨的逻辑推导，不带一丝多余的情感色彩。我阅读的体验就像是在攀登一座陡峭的花岗岩山峰，每一步都需要全神贯注，稍有分神，就可能迷失在层出不穷的变量和复杂的偏微分方程组中。坦率地说，对于初学者来说，这可能是一场灾难。书中对统计物理基础的铺陈，虽然理论上无可指摘，但其跳跃性实在太大了。前一页还在讨论玻尔兹曼分布，下一页可能就已经深入到了吉布斯自由能的推导，中间的过渡环节往往需要读者自己去脑补大量的中间步骤。我不得不承认，当我尝试跟进作者关于系综理论的论述时，我不得不频繁地翻阅附录中关于量子力学基础知识的部分，感觉自己像是在用一把不那么锋利的工具去解一个极其精密的机械锁。不过，对于那些已经对基础概念了如指掌，渴望挑战思维极限的资深研究者或者研究生来说，这种高强度的阅读体验或许恰恰是他们所需要的“精神食粮”，它逼迫你调动所有已有的知识储备，去跟上作者那近乎苛刻的思维节奏。

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这本书的插图和图示，简直是美学上的灾难，但功能性上却达到了一个出乎意料的高度。我通常期望一本优秀的理工科教材能平衡美观和信息量，但这本《现代热力学》显然把所有的预算都投入到了内容深度而非视觉呈现上。那些图表，很多看起来像是用上世纪八十年代的绘图软件制作的——线条粗糙，颜色单调，3D效果更是谈不上。比如，关于卡诺循环的示意图，简直简陋到让我怀疑自己是不是在看一本年代久远的旧版教材。然而，讽刺的是，正是这种“朴实无华”的图示，反而没有分散我的注意力。在阅读到关于“朗之万方程”和“布朗运动”的章节时，那些简单的、甚至有些笨拙的示意图，反而更有效地突出了物理过程的核心要素，没有被花哨的阴影或渐变所干扰。我发现自己不再去纠结于图的“颜值”，而是直接去捕捉图上每一个箭头的方向、每一个标度的含义。这或许是一种反向的成功：它用最原始的视觉语言，完成了最有效的知识传递，迫使读者的大脑绕过视觉噪音，直接与概念本身进行交互。

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