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牛津通识读本：物质_【英国】杰夫·科特雷尔_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_【英国】杰夫·科特雷尔

内容节选

第三章物质的形式水是地球上为数不多的以固体、液体和气体形式自然存在的常见物质之一。把它冷却下来，它就会变成像石头一样硬的冰。在土星的卫星——土卫六上，有着零下180℃的温度，更有3000米高的冰山。在我们这个气候更为温和的星球上，水的正常状态是液体。当水壶里的水烧开时，就会产生一股看不见的气体——蒸汽。水壶里冒出的白雾含有微小的水滴，它们在空气中凝结并散射光线。在喷气柱上方放置一个冷表面，蒸汽就会凝结成水滴，向下流动并结合在一起。物质的这些不同的状态或阶段，是由于对立面之间的竞争而产生的：热运动驱使粒子分离，原子间的吸引力把它们拉到一起，即排斥力和吸引力。把电子束缚在原子上，使原子聚集在一起形成分子，并把分子聚集在一起形成固体和液体的“胶水”就是电。电的力量存在于化学、生物和生命本身的背后。物质可以流动的状态——液体和气体——被称为流体。固体、液体和气体是所谓的物质的主要状态。固体有形状和体积，液体有体积但没有形状，气体既没有形状也没有体积。液体和固体被称为物质的凝聚态。物质最简单的状态是气体。在19世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和路德维希·玻尔兹曼发展了气体动力学理论，在分子的统计微观世界和气体的宏观性质之间建立了联系。“理想”气体由大量的原子或分子组成，它们随机地四处飞行并相互碰撞，就好像它们是完全有弹性的迷你台球一样。在短暂的碰撞之间，它们以直线运动，这就是为什么气体会充满任何形状和大小的容器。在标准条件下，一升气体中有大量的分子（大约是1022个），这个数目如此之大，以至于我们可以非常肯定地计算出它们的统计特性。当一个分子撞击容器壁时，会得到一个微小的冲力，然后反弹回来。分子受到大量的极小的击打，平均起来就产生了一种相当大的宏观力，这种压力对所有的容器壁具有同等的作用力。尽管气体中有这么多的分子，但它们非常小，而且它们之间有很大的空间。气体的这种性质使它们可以压缩。如果你用强力冷却使空气液化，它会收缩到原体积的两千分之一。气体容器壁可以通过被挤压来压缩气体，就像自行车打气筒中的活塞一样。17世纪的英国科学家罗伯特·波义耳进行了气体实验，他优雅地将其描述为“触摸空气的弹簧”。波义耳发现，气体压力的增加与其体积成反比。如果把容器体积减半，分子就会被挤到一半的空间里，以两倍的强度撞击容器壁，所以压力也会加倍。气体中的分子并非都以相同的速度运动。速度较慢的粒子获得动能，因为速度较快的粒子撞击它们的次数更多，而速度较快的粒子由于与速度较慢的粒子碰撞而失去能量的频率更高。碰撞导致粒子速度的统计分布，称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其中平均速度与气体的温度有关。在室温条件下，空气分子的平均速度约为每秒350米，大致相当于音速。声音通过空气的压缩波和稀疏波传播。温度和分子速度之间的联系意味着，必须有一个可能的最低温度，即绝对零度，在这个温度下运动停止。绝对零度是-273℃，即以开尔文测量的绝对温标上的零度（0K）。热和温度之间有一个重要的区别。有些物体温度高但含热量少；另一些则较冷，但含有大量热量。热量取决于温度和粒子的数量。即使相同的温度（100℃），两锅相同的开水所含的热量也是一锅的两倍。热力学工业革命的动力是蒸汽机。为了改进蒸汽机的性能，人们对热、功和能量之间的转换进行了深入的研究，所获得的知识发展成为热力学科学。能量有两种基本形式：运动的能量（或动能）和物体在力场中的位置所具有的能量（或势能）。在地球的引力场中，将1000克的物体从1米的高度举起，其势能将增加约10焦耳。焦耳（J）是国际单位制的能量单位，对于宏观物体来说是一个方便的大小单位。烧开1000克水大约需要40万焦耳，这足够把一个人举起500米的高度。物体可以通过增加速度来获得动能。而当物体被带到建筑物顶部时，它会从地球的重力场中获得势能。如果物体现在下落，它的速度就会增加，将它的势能转化为动能。能量是一个有用的概念，因为能量守恒原理：在物体的整个运动过程中，势能和动能的总和是恒定的。当物体撞击地面时，它的能量转化为分子的随机运动，或称之为热。热是能量的一种形式，这一事实意味着它必须包含在能量守恒定律中，这成为热力学第一定律。当一个物体（在热力学中称为“系统”）处于热力学平衡时，这个系统可以被认为处于一个密封的盒子中，没有热能可以从这个盒子中释放出来或被添加进去。热力学系统的能量是守恒的。重要的是要区分有用的能量形式，比如可互换的动能或势能，以及已经退化到不能用来做功的能量。将能量分解成无用的形式很容易，但要逆转这一过程就困难得多。一辆行驶中的汽车的动能，即它所有部件的定向运动的能量，在刹车时，大部分将转换为热。汽车的有序运动现在变成了无序运动，即制动鼓中原子和分子的随机运动。要使汽车再次移动，热能不再有用。热的不可逆性质体现在热力学第二定律中。第一定......