迄今出版的大量熱力學(xué)教科書都是針對物理學(xué)、化學(xué)以及工程學(xué)問題而寫的。近年來也出版了若干著重在地質(zhì)問題研究方面的書。因此,讀者可能會問,為什么還要寫一本熱力學(xué)書?我始終是以地球科學(xué)的讀者為對象來寫作的,因而重點(diǎn)就是化學(xué)熱力學(xué)或地球化學(xué)熱力學(xué)。隨著熱力學(xué)基本原理的展開,書中將涉及地球化學(xué)、巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球物理和行星科學(xué)的大量問題。雖然還談不上囊括所有問題,但還是企圖盡力開發(fā)核心內(nèi)容,讓地球和行星科學(xué)的不同專業(yè)的讀者得益。
半個世紀(jì)以來,熱力學(xué)理論和相關(guān)的實驗方法在地球和行星科學(xué)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用?梢哉f,正是從熱力學(xué)的應(yīng)用介入傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域開始,對地球和行星的從微觀到宏觀的不同規(guī)模空間中物質(zhì)的物理化學(xué)狀態(tài)、各種作用及其演化的研究才發(fā)展為一個較完整的科學(xué)研究體系。地球和行星科學(xué)中的熱力學(xué)就是將所研究的對象抽象為用熱力學(xué)原理分析的體系,確定描述該體系所需的各種強(qiáng)度變量、廣度性質(zhì)及參數(shù),透過傳統(tǒng)的定性和定量分析、各種現(xiàn)代的物理化學(xué)儀器分析,特別是與模擬自然作用的實驗室結(jié)果相結(jié)合,并按照所有可能獲得的相關(guān)信息架構(gòu)的分析模型計算來獲得結(jié)果,從而得以不僅定性而且定量地“講古論今”,推斷地球和行星中自然過程的發(fā)生和演化規(guī)律(當(dāng)然也與其他方法例如同位素測年法相結(jié)合)。雖然,熱力學(xué)在非平衡態(tài)體系和不可逆過程的處理中的限制是肯定的,但同樣,熱力學(xué)在處理許多平衡或接近平衡的體系的作用過程和演化上的有效性也是很顯然的?梢哉f,熱力學(xué)還處在方興未艾的階段,并且正在與嗣后發(fā)展的動力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)在地球和行星科學(xué)中的應(yīng)用更加有機(jī)地結(jié)合。
譯者有幸見證并經(jīng)歷了半個世紀(jì)以來熱力學(xué)在地球和行星科學(xué)中的介入。例如,從開始在教室和野外觀察各種自然體系的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,到今天能根據(jù)離子探針對晶體表面元素在納米級距離上擴(kuò)散變化的測定,從而按照熱力學(xué)模型推斷喜馬拉雅造山運(yùn)動的抬升速率。這不僅是實驗室技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,更是對實際自然對象合理抽象而理論分析建立理論模型的結(jié)果。雖然也許只窺探大干世界的一小點(diǎn),但其中經(jīng)歷的愉悅實在莫可名狀。原來熱力學(xué)原理不僅是大學(xué)理工科書本上的基礎(chǔ)知識,而且是開啟認(rèn)識地球和行星乃至宇宙的一把金鑰匙。
譯者還有幸與本書作者共事近二十年。譯者以旁觀角度看,Ganguly教授是五十年來用熱力學(xué)方法深入窺探地球和行星中物理化學(xué)作用及演化的佼佼者,鑒于他在數(shù)理化方面特別是熱力學(xué)上的扎實根基和多年在地球和行星的各種物理化學(xué)體系的基礎(chǔ)研究,他得以涉獵同時代諸多研究者在相關(guān)各個領(lǐng)域的成果,并游刃有余地匯總在本書所呈現(xiàn)的有機(jī)聯(lián)系的各章節(jié)中,同時也指出了存在的問題,可供進(jìn)一步研究參考。Ganguly教授著作等身,有興趣的讀者可到他的個人網(wǎng)頁查看。
吉巴米卡·甘吉利(Jibamitra Ganguly),美國亞利桑那大學(xué)地球科學(xué)系教授,美國地球物理學(xué)會和礦物學(xué)會會士。1938年出生于印度,1967年獲芝加哥大學(xué)地球物理系博士學(xué)位。先后在耶魯大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校做博士后研究,1978年起任職于美國亞利桑那大學(xué)。作者在與相平衡、熱力學(xué)和擴(kuò)散動力學(xué)相關(guān)的地球和行星科學(xué)的廣泛領(lǐng)域(包括巖石學(xué)、物理地球化學(xué)和礦物學(xué)等)作出了許多貢獻(xiàn)。特別是通過實驗和理論的結(jié)合研究來揭示多組分自然體系的熱力學(xué)和動力學(xué)演化信息,并因此干2002年被聘為德國洪堡基金會研究員。曾主編和合作出版4本專著,并發(fā)表近90篇論文。
程偉基,男,1946年生,1968年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代化學(xué)系,1985年任該校地球和空間科學(xué)系副教授,1986-1988年在加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)地球科學(xué)系工作,1989-2013任職于美國亞利桑那大學(xué)地球科學(xué)系,直至退休,現(xiàn)定居洛杉磯。主要研究領(lǐng)域包括高溫高壓條件下多組分礦物晶體化學(xué)平衡實驗和計算,晶體表面元素擴(kuò)散作用的實驗和理論,以及地球和行星中自然體系物理化學(xué)演化的應(yīng)用。
第1章 緒論
1.1 熱力學(xué)的性質(zhì)和范圍
1.2 不可逆過程和可逆過程
1.3 熱力學(xué)體系、邊界和變量
1.4 功
1.5 穩(wěn)定和亞穩(wěn)定平衡
1.6 晶格點(diǎn)陣振動
1.7 電子構(gòu)型和晶體場效應(yīng)
1.7.1 電子殼層、亞殼層和軌道
1.7.2 晶體或配位場效應(yīng)
1.8 常用物理量和單位
第2章 熱力學(xué)第一和第二定律
2.1 熱力學(xué)第一定律
2.2 熱力學(xué)第二定律:經(jīng)典表述
2.3 卡諾循環(huán):熵和熱力學(xué)溫標(biāo)
2.4 熵:自然過程的方向和平衡
2.5 熵的微觀解釋:玻爾茲曼方程
2.6 熵和無序度:礦物學(xué)應(yīng)用
2.6.1 構(gòu)型熵
2.6.2 振動熵
2.6.3 構(gòu)型熵與振動熵的比較
2.7 第一和第二定律的合并陳述
2.8 熱平衡條件:第二定律的說明性示例
2.9 熱發(fā)動機(jī)和熱泵的有效率
2.9.1 熱發(fā)動機(jī)
2.9.2 熱泵
2.9.3 自然界中的熱發(fā)動機(jī)
第3章 熱力學(xué)勢及其衍生性質(zhì)
3.1 熱力學(xué)勢
3.2 封閉體系的平衡條件:用熱力學(xué)勢的公式化表示
3.3 什么是自由能中的自由?
3.4 麥克斯韋關(guān)系式
3.5 熱力學(xué)方塊:介紹一種記憶工具
3.6 蒸氣壓和逸度
3.7 衍生性質(zhì)
3.7.1 熱膨脹和壓縮性
3.7.2 熱容
3.8 Gruneisen參數(shù)
3.9 熱膨脹和壓縮系數(shù)與P-T的關(guān)系
3.1 0熱力學(xué)導(dǎo)數(shù)綜覽
第4章 熱力學(xué)第三定律和熱化學(xué)
4.1 第三定律和熵
4.1.1 觀察基礎(chǔ)和表述
4,1.2 第三定律熵和剩余熵
4.2 熱容函數(shù)的性質(zhì)
4.3 對端元相固體的熱容和熵的非晶格影響
4.3.1 電子躍遷
4.3.2 磁轉(zhuǎn)變
4.4 熱力學(xué)零度的不可達(dá)到性
4.5 熱化學(xué):形式和約定
4.5.1 生成焓
4.5.2 Hess定律
4.5.3 生成吉布斯自由能
4.5.4 熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫
第5章 臨界現(xiàn)象和狀態(tài)方程
5.1 臨界點(diǎn)
5.2 近臨界和超臨界性質(zhì)
5.2.1 熱和熱物理性質(zhì)的偏離
5.2.2 臨界波動
……
第6章 相變、熔融和化學(xué)計量相反應(yīng)
第7章 熱壓和地球內(nèi)部的絕熱過程
第8章 溶液熱力學(xué)
第9章 非電解質(zhì)溶液的熱力學(xué)和混合模型
第10章 含有溶體和氣體混合物的平衡
第11章 地質(zhì)體系中的元素分餾作用
第12章 電解液和電化學(xué)
第13章 表面效應(yīng)
附錄A 熵產(chǎn)生率和動力學(xué)問題
附錄B 若干數(shù)學(xué)關(guān)系式的討論
附錄C 固體的熱力學(xué)性質(zhì)的估算
參考文獻(xiàn)
主題索引