▎小結

原子是組成物質的基本單位，它的直徑約為10-8厘米。一顆紅血球細胞的直徑相當于40000個原子的直徑，而紅血球差不多已經是可見光下能看見的最小物體了。熱就是分子的振動，因為分子擁有動能。分子振動的速度堪比聲速（340米/秒）。固體雖然存在猛烈的振動，但是原子仍然留在原來的位置上。我們通過布朗運動可以觀察到這種振動的效應。布朗運動也表現在電子噪聲（比如嘶嘶聲）中。

如果兩個物體的溫度相同，那么它們中的分子平均動能也是相同的。但是，分子的速度并不相同。如果兩個不同質量的分子具有相同的動能，那么較輕那個分子的速度更高。最輕的分子，氫氣（H2），移動得如此之快，以至于大部分氫氣都掙脫了地球的引力，從此在大氣中銷聲匿跡。

溫度可以用華氏溫標或攝氏溫標來度量。但是物理學上更有用的單位是開爾文溫標（K），或者叫絕對溫標，在這種溫標下，0K對應的是每分子動能為零。1K的變化等于1℃的變化，等于9/5℉≈2℉的變化。

大部分物體受熱時都會膨脹，通常是每攝氏度膨脹1/1000—1/100000。這種現象被應用在溫度計上，人行道的縫隙也是因此預留的，而且如果說全球變暖使海洋溫度升高，這種效應還會導致海平面更大幅度的升高。

熱可以通過熱導體傳遞，因為互相接觸的原子可以分享彼此的動能。氣體變熱后就會膨脹。理想氣體定律基本準確地描述了膨脹的規律，該定律認為，氣壓和絕對溫度是成比例的。熱可以通過熱輻射流動，也可以通過熱對流流動。

當一個物體因為吸收了太多能量而變得過熱時，就發生了爆炸。正是氣體的高壓及其產生的快速膨脹形成了爆炸。這樣的爆炸也會發生在內燃機的汽缸中，我們利用這些爆炸來為我們的汽車提供能量。

轉化成熱的能量不一定能高效轉化回來。轉化上限可以由如下式子計算出來：1-TC/TH。我們經常認為這些熱損失掉了，而且會造成宇宙的“冷寂”。

熵是用來度量對分子無序程度的。溫度更高的物體振動更劇烈，更無序，也擁有更高的熵。只要發生熱流動，宇宙的熵就會增加，雖然某個物體的熵（比如你的大腦）可以下降——在你學到了東西的時候。

4條重要的熱力學定律是：（0）互相接觸的物體趨向于達到相同溫度，（1）能量是守恒的，（2）從熱中抽取有效能需要溫差，以及（3）宇宙的熵永遠都在增加。

能量可以用來從物體中抽取熱。這就是冰箱、空調和熱泵的基本工作原理。

討論題

如果你到了一個海拔很高的地方，那里的氣溫通常都很低。你認為這些會對聲速造成什么影響？（等我們在第7章討論UFO時，這個問題將會變得非常重要。）

搜索題

1. 在網上搜索“蹈火”（firewalking）。看看你能否找到提供蹈火訓練的組織，或者解釋蹈火為什么可行的網站。描述一下你的發現。
2. 人體中最常見的元素是什么？把人體中的元素和地殼中的元素做比較，說一說最讓你吃驚的發現是什么。
3. 在網上搜索“熱機”。網上有很多工程師討論技術。你能找到新型熱機嗎？搜索“鎳鈦諾發動機”（nitinol engine）。你能找到據廠商稱能在小溫差下工作的熱機嗎？廠家是否談到了由小溫差造成的低效率（可以由效率方程算出）？
4. 在網上搜索“熱泵”。你能找到關于性能系數（COP）的哪些信息？熱泵貴不貴？在你生活的地方熱泵是一項好的投資嗎？（不要猜，算出來。）
5. 為什么夏天比冬天暖和？是因為地球離太陽更遠嗎？（不是。）太陽的亮度會發生改變嗎？（不會。）為什么當澳大利亞是冬天時，我們北半球是夏天？

論述題

1. 你認為本章所講的內容哪些最重要？在紙上寫下來。你將如何告訴朋友、父母或孩子里面的關鍵點？哪些知識點對未來生活最重要？
2. 當物體受熱時通常都會膨脹（也有例外）。解釋一下原因，并且舉例說明這種現象為什么會造成問題，以及它可以應用在哪些地方。
3. 描述一下：爆炸是什么意思？對原子和分子來說，爆炸又意味著什么？
4. 舉例說明“小”爆炸都有哪些用處，特別是那些一般人不認為是爆炸的爆炸。
5. 估算一下一張紙中有多少原子。（我故意把問題說得模糊，紙可以是任意合理的大小。你可以用我在書中說過的原子平均尺寸。）
6. 討論用來計算效率上限的式子。對汽車發動機來說，這個式子意味著什么？
7. 如果你把某團氣體的溫度加倍，它的速度會發生什么變化？會加倍嗎？（答案是不會。）算一算速度會增加多少。

選擇題

1. 如果你讓1千克氣體的能量翻一倍，氣體的溫度將會（用絕對溫標K度量）

A. 改變

B. 增加倍

C. 翻一倍

D. 乘4

2. 空氣中的分子移動速度約為多少？

A. 1000英尺/秒

B. 光速

C. 9.8米/秒

D. 9.8厘米/秒

3. 溫度所度量的是什么？

A. 平均動量

B. 平均動能

C. 平均速度

D. 平均總能量

4. 在一木桶水中，分子的瞬時速度最接近

A. 0，因為它們不動

B. 和木頭中分子的移動速度相同

C. 約為1.7米/秒

D. 約為1000英尺/秒

E. 約為186000英里/秒

5. 如果房間中有一臺運行的冰箱，那么它

A. 會讓房間變暖

B. 會讓房間變冷

C. 對房間沒有影響

D. 會去除房間中的水蒸氣

6. 如果房間中有一臺開著門的冰箱，那么它

A. 會讓房間變暖

B. 會讓房間變冷

C. 對房間沒有影響

D. 會去除房間中的水蒸氣

7. 桌子和它上方的空氣溫度相同，這代表空氣中的分子和桌子中的分子

A. 平均速度相同

B. 平均能量相同

C. 平均加速度相同

D. 平均質量相同

8. 冰融化的溫度是

A. 0K

B. 0℃

C. 0℉

D. 100℃

9. 煤氣暖爐使房間變暖主要通過

A. 熱對流

B. 熱傳導

C. 熱輻射

D. 熱損耗

10. 聲速

A. 在溫度升高時會升高

B. 在溫度升高時會下降

C. 取決于氣壓

D. 是常量，和溫度無關

11. 如果一臺汽油機制造了更熱的爆炸，那么發動機的效率會

A. 不變

B. 提高

C. 降低

12. 裝滿水的塑料杯觸感比玻璃杯更暖，因為

A. 塑料被水加熱了

B. 塑料比玻璃傳熱少

C. 塑料比玻璃導熱性好

D. 塑料在水中分解了

13. 含有質子數量最少的原子是

A. 氦

B. 碳

C. 氫

D. 氧

14. 人類頭發的直徑上大約可以排下多少個原子？

A. 25

B. 125000

C. 273000000000

D. 6×1023

15. 聲速約等于

A. 1英尺/納秒

B. 1英尺/秒

C. 340米/秒

D. 186000英里/時

16. 把熱玻璃放進冷水中，玻璃破碎是因為

A. 它加熱水的表面使其沸騰

B. 玻璃的外表面迅速收縮，而內部不會

C. 玻璃的外表面迅速膨脹

D. 熱的快速傳導引起了強烈振動

17. 海平面因為全球變暖而升高，主要原因在于

A. 海水的膨脹

B. 融化的冰山

C. 膨脹的海底巖石

D. 地球的收縮（但水量保持不變）

18. 溫度升高2℃，約等于升高

A. 1℉

B. 2℉

C. 4℉

D. 1/2℉

19. 為一個房間供暖耗能最低的方法是

A. 直接燒天然氣（甲烷）

B. 用天然氣運行熱泵

C. 燃燒煤

D. 燃燒汽油

20. 大氣中幾乎沒有氫氣的原因是

A. 氫氣擺脫了地球引力

B. 海洋或陸地上幾乎沒有氫

C. 氫分子的運動速度比氧分子和氮分子慢

D. 氫都沉到地核里了

21. 流星達到10馬赫時，如果它所有能量都用來給自己加熱，它的溫度將會約等于

A. 300℃

B. 6000℃

C. 30000℃

D. 100000℃

22. 新奧爾良防洪堤倒塌是因為

A. 被熱膨脹毀壞了

B. 它是用連續的混凝土結構制造的，承受不了太大的壓力

C. 在熱伸縮接縫發生了泄露

D. 熱伸縮接縫處比較薄弱

23. 如果溫度升高5℃，那么海平面大約會升高

A. 2英寸

B. 2英尺

C. 12英尺

D. 97英尺

24. 對一般汽車來說，作為熱浪費的那部分汽油能量約為（小心，這是一道陷阱題）

A. 1%

B. 10%

C. 20%

D. 80%

25. 陽光下的溫度

A. 總是比陰影下的高

B. 總是和陰影下的相同

C. 有時比陰影下的低

D. 定義不太明確

26. 當一種物質冷卻后，它

A. 體積不變

B. 就會收縮

C. 就會膨脹

D. 部分會收縮，部分會膨脹

27. 一個物體的熔化溫度通常

A. 等于冰點

B. 高于冰點

C. 低于冰點

D. 等于沸點

28. 絕對零度

A. 是讓水結冰的溫度

B. 是宇宙的溫度

C. 是液態氦的溫度

D. 不是任何物體的溫度

29. 當液體沸騰時，體積（從液體到氣體）通常會變為原來的多少倍？

A. 10

B. 100

C. 1000

D. 1000000

30. 如果容器中氣體的溫度從0℃上升到300℃，壓力會

A. 不變

B. 翻一倍

C. 變成300倍

D. 變得無限大

31. 與蹈火活動類似的是

A. 燉鍋里的水會滑動

B. 航天飛機重返大氣層

C. 汽車氣囊打開

D. 滑水

32. 汽油爆炸需要

A. 和氧氣混合

B. 和氮氣混合

C. 和二氧化碳混合

D. 無需混合，只需火花

33. 要想提升效率，被點燃的熱燃料和發動機較冷部位的溫差應該

A. 越小越好

B. 越大越好

C. 與效率無關

34. 熱在真空（不含原子）中流動

A. 是不可能的

B. 是熱傳導

C. 是熱對流

D. 是熱輻射

35. 熵度量的是（多選題）

A. 熱

B. 溫度

C. 無序程度

D. 能量

36. 讓分子停止運動的溫度為

A. 0K

B. 0℃

C. 0℉

D. 32℉

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[1]為什么要說“約”？有一些已知元素具有放射性，會發生衰變，所以在自然界中非常稀有，甚至無法持續存在。其中有兩種是锝（原子序數43）和钚（原子序數94）。如果只計算穩定的元素，原子種類的數量就是91。如果算上放射性元素，數量就會超過100。

[2]這些原子可以有很多種結合方式。這就是DNA編碼你的遺傳信息的方法。不同動物的DNA分子長度也有所不同。

[3]1微米（μm）=10-6米=10-4厘米。

[4]這種小微粒的移動，最開始是在水中的花粉粒上發現的，發現者是英國植物學家羅伯特·布朗。他并不知道原子會對灰塵進行撞擊，所以，當時最合理的解釋就是這種運動說明小微粒是有生命的！直到1905年，愛因斯坦才推導出詳細的解釋，包括對振動程度和粒子大小之間關系的預測。基于他的研究，大多數科學家才終于開始相信原子理論。

[5]在固體中，聲音行進的速度比在空氣中快，因為固體分子之間的接觸相對更緊密。它們不必移動就能把力傳給下一個分子。

[6]時鐘周期（cycle）是計算機處理的最小時間間隔。定義是計算機完成一個最基本操作所需要的時間。時鐘周期是跟著CPU頻率（主頻）走的，主頻3G也就是說1秒可以完成（3×109）次操作，一個時鐘周期是1/（3×109）用這個數字乘光速得到約1/10米，差不多4英寸。——編者注

[7]這是經典影片《2001太空漫游》（1968）中一大穿幫鏡頭：一臺名為“Hal”的計算機的尺寸被描繪成大得能讓人走進去。順便說一句，在英語字母表中，H后面是I，A后面是B，L后面是M。所以Hal后面的字母拼出來就是IBM。但小說原作者亞瑟·克拉克堅持說這只是一個巧合。

[8]你可能還記得第1章的熱力學第一定律（能量守恒）。在本章后面我們還會描述熱力學第二定律、第三定律。而第零定律被發現時，其他幾條定律的編號和內容已經都定下來了，顯然，大家都覺得應該把這條定律放在最前面，所以它的編號就是零。

[9]氫分子的平均速度不足以使它們逃離，但是某些氫分子的速度遠高于平均值，而我們丟失的就是這些氫分子。我們也因為同樣的原因丟失了一些氮分子和氧分子。但是因為它們的平均速度比氫分子慢得多，所以它們的流失量可以忽略不計。

[10]宇宙中的大多數粒子都是不可見的，比如溫度極低的光子（被稱為“宇宙微波背景”）和溫度一樣很低的中微子。所有物體，包括這些數量龐大、溫度極低的粒子，把能量平均瓜分之后，就出現了冷寂。

[11]百分溫標的名字改為攝氏度，是為了紀念天文學教授安德斯·攝爾修斯，他在18世紀制作了當時世界上最好的溫度計，但是更名是在20世紀70年代完成的。

[12]22] 有一個有趣的歷史細節，攝爾修斯建立最初溫標時，把0設為水的沸點，100設為水的冰點——和我們今天的用法完全相反。數值更高的溫度更冷！想來有趣，更高的溫度并非從始至終毫無疑問地代表更溫暖。這只是一種慣例罷了。

[13]公制（Metric）單位出現在法國大革命時期，重要的依據是十進制更方便計算。因此Metric一詞還有十進制的意思。——編者注

[14]從理論上說，航天飛機可以通過“反向火箭”來減速，原理和火箭加速時相同。但是這需要大型火箭發動機、多級火箭，以及和發射時同樣多的燃料。有一天，如果科技的發展使發動機和燃料的體積變得非常小，這種方法可能會變得可行。

[15]如果要進行計算，我們可以算出溫度差別為72℉=40℃。如果查一下鋼鐵的熱膨脹情況，就會發現膨脹率為每1℃百萬分之十二，所以我們把膨脹率乘溫度變化40℃，就得到了百萬分之四百八十。這聽起來很小，但是橋長度是4260英尺。用這個比率（480×10-6）乘4260，得到長度變化為2英尺。

[16]皮特·坦斯曾告訴我，生活在沿海地區的人群中，只有荷蘭人不會受影響。“我們知道如何修水壩。”他說。

[17]有些人認為“陽光下的溫度”這種說法是錯的，因為連空氣都會吸收陽光中的功率。但是這種影響非常微小，所以陽光下空氣分子的平均運動情況實際上和附近陰影處非常接近。

[18]“等離子體”這個詞最初是用在生物學中的，后來被諾貝爾獎獲得者歐文·朗繆爾挪用到了物理中。如果你感興趣，可以參看L. 通克斯的論文《“等離子”的誕生》（The Birth of ‘Plasma’），載于《美國物理》（American Journal of Physics）35: 857（1967）。

[19]假設某房間的室內溫度是TK=300（即81℉，這間屋子挺熱，但是在開爾文溫標里可以近似成一個不錯的整數）。每個分子的平均能量可以通過我們說過的方程算出來：E=2×10-23K。把數字帶入方程，就能得出每分子熱能=2×10-23×300=600×10-23焦耳=1.4×10-24大卡。每1克TNT中含有2.6×1021個分子。所以1克TNT中的熱能就是每分子能量乘以分子數：ETNT=（1.4×10-24）（2.6×1021）=0.004大卡/克。所以在一般情況下，TNT中的熱能比爆炸釋放的化學能少得多。

[20]軍隊根據同樣的原理制造了“殺傷（粉碎性）炸彈”以及“殺傷（粉碎性）手榴彈”。俗話里說的“殺傷”最初的意思就是用殺傷性手榴彈進行襲擊。

[21]在很多物理和化學教科書中，理想氣體定律被寫成P=nkTK，n代表單位體積的分子數，而k是玻爾茲曼常數；另一種寫法是P=NkT，N代表分子總數。

[22]有個名叫霍華德·舒格特的物理教授有一門絕活，他能把一點液氮倒進嘴里然后再使勁吐出來。這樣他就從嘴里噴出了一條巨大的霧柱（大部分都是被冷空氣凝結的水滴），班上的學生紛紛鼓掌。我從來都沒有勇氣（或者足夠愚蠢）嘗試這個。我聽說有其他教授用液態氫漱口，萊頓弗羅斯特層會保護他們的喉嚨。這種事我還是不摻和了。但是我確實曾經把液態氫倒在手上，只要保持表面傾斜，冷液體就可以流走，有一點冷。但是別把手握起來，把液氫留在手中某個位置。皮膚突然凍結所造成的傷害和嚴重燒傷差不多。

[23]正如我在第1章說過的，工程師有時喜歡區分“爆炸”和“爆燃”。在爆炸中，燃燒表面比聲速還快。如果要使用精確的術語，汽車中汽油的燃燒屬于爆燃，而不是爆炸。但是我不會分得這么細。

[24]（比如）電動車中使用的電動機、帆船、風車房（用來磨面粉）、發條玩具、你身體中的肌肉。

[25]假設一輛汽車在水平路面上以每小時50英里的速度行駛，每加侖汽油可行駛30英里。雖然這臺車的峰值功率為150馬力，我們假設在這種條件下它只用了25馬力。汽油的密度約為6.2磅/加侖。利用這些數字，你可以算出汽油的使用速率約為10000克/時。按每克10大卡計算，汽油中的能量可以輸出約30大卡/秒=123千瓦。但發動機實際輸出的能量通常來說只有25馬力=18千瓦。根據這些假設，能量效率為18/123=0.15=15%。

[26]如果散熱器停止工作，發動機就會變得非常熱（過熱），潤滑油會分解，于是金屬活塞就無法在金屬汽缸中平滑地滑動——它們互相刮擦并連接在一起。我們用一個富有諷刺意味的詞來形容金屬部件粘連的過程：發動機“凍住了”——雖然這一切都是高溫造成的。