温度是什么（悦读科学丛书）

0度是什么？人们该如何理解温度？本书以热力学单位——温度的定义为主线，简要介绍了物质相变、

温度测量、储热、传热、热力学定律、熵等基本概念。对温度的解释由浅显易懂的冰雪融化，逐步延伸到

凝聚态物理、宇宙学、高能物理、计量学、传热学、工程热力学等基础科学及应用技术领域。从这个意义

上，本书是一本物理学科普书籍。

董学智，博士，副研究员。先后工作于中国科学院，清华大学。一直从事能源动力领域研究工作，研究各种热能在各种动力系统内的转化，并利用业余时间专研科学哲学。

II

序

读科普书的意义是什么？科普书真的像宣传得那样可以让读者掌握有用的知识吗？

有很大一类科普读物是博物类的，内容涵盖丰富，老少咸宜。从南极的企鹅、马里亚纳海沟的鱼群，到远古的恐龙和三叶虫、月球上的环形山。只要读者有足够的时间，有良好的记忆力，就有无数的书籍可供阅读。开卷当然有益，但是如果不读就真的有害吗？不知道“北冥有鱼，其名为鲲”会怎样？现代社会已经允许绝大多数人“四体不勤，五谷不分”，即使觉得“牛肉是超市里长出来的”，也不会对生活产生本质性的影响。如果科学知识只是用于席间炫耀博学聪慧的谈资，那么，恐龙与迈克尔·杰克逊并无本质差异。

另一类科普读物更专业，试图向孩子们讲授原子结构、天体运行、宇宙的起源、量子力学、相对论、黑洞、弦论等科学知识。这些科普作家的能力和专业性让人钦佩。他们将难以理解的科学概念翻译成朴实易懂的语言。但科学的本质并非知识的堆砌，更不是对科学结果的机械背诵。有时，作者为便于理解，而将此类科普读物变为只需背诵的博物学教材的时候，科普就已经丧失了实际意义。学习过“日心说”的小学生与中世纪掌握复杂数学知识、会用本轮理论计算行星轨道的天文学家相比，谁的科学素养更高？靠灌输知识对日心说深信不疑的孩子，真的会比相信星星上住着小精灵的孩子更具有科学精神吗？

科学是不断变化和成长的，比起机械背诵，理解科学方法更为重要。但科学方法却总是难以系统总结，对其一直存在着误解。科学家自己都不能正确阐述自己工作中所使用的方法，科学哲学也没能胜任这一工作。

长期的误解让谎言占据着科学方法领域，前人的辛苦工作被掌握现代视角的人无情地贬低和蔑视：亚里士多德似乎总是错的，这位伟大的学者在科学领域似乎就从未正确过；每天，教会的僧侣们只是在干着阻碍他人科研和讨论针尖上天使数量的工作；除少数英雄人物，大多数科学权威都在愚蠢、保守和邪恶地阻碍新理论。事实真的如此吗？

既然科学是在自我质疑中不断进步的，那么，哪些科学知识是可以质疑的，哪些又不是呢？能量守恒定律会是错的吗？真空中的光速是不变的吗？牛顿三定律只在低速条件下才成立吗？黑洞真的存在吗？宇宙起源于大爆炸？以上问题看上去都可以质疑，但事实并非如此。虽然黑洞可能并不存在，宇宙大爆炸理论也可能只是假想，但能量守恒定律和光速不变看上去不容置疑，牛顿定律从某种意义上也永远正确。科学方法教育工作应教会人们如何正确质疑，但显然，这项工作至今并未完成。

科学家在科学发现中到底扮演着怎样的角色？科学家在公众的印象中，常常是头发蓬松、不谙世事、一心只为发现宇宙终极秘密的形象。但公众真的可以放心将巨额的经费交给他们使用吗？炼丹师作为最古老的科研工作者，长期为皇帝研究炼金术和长生不老药，在这些人中，有些是纯粹的骗子，有些却是真心实意地为科研献身，只是未能选择正确的方向。现代科学家真的改变了前辈的陋习吗？夸大自身工作的重要性，试图拿到更多经费，贬斥质疑者无知，这样的科学家与《皇帝的新装》中的骗子又有什么不同？

热力学作为古老的物理学分支，既与人类生产生活息息相关，又与物理学前沿密不可分。本书并不是严格意义上的热力学科普教材。虽然书中的内容涵盖了热力学中绝大多数的概念，但这些热力学知识更像是足球比赛中的足球。欣赏比赛应该关注双方队员的攻防，而不是足球的运动轨迹。借助热力学知识，完成对科学方法的粗浅解释才是本书的真正主旨。

科学方法是什么尚无定论，仅能窥见一斑。因作者学识有限，部分内容恐有

偏颇，望不吝指教。

III

目录

第1章 0度是什么 / 1

2 / 不容易懂的温度，容易懂的大气压

4 / 可以被忽略的压力

6 / 为什么需要纯净水

10 / 不纯净的纯净水

11 / 百思不得其解的冰水混合物

13 / 凝固与结晶

15 / 获取晶体的过程

16 / 规则排列与不规则排列

17 / 0度是什么

第2章 100度是什么 / 18

18 / 水的沸点并不适合作为温标

20 / 水与水蒸气的体积差

21 / 低气压下水的饱和点

23 / 过热液体与过冷蒸汽

24 / 相变与高能物理实验

25 / 高气压与瓦特的故事

28 / 更高的压力，更高的温度

29 / 完整相变图

第3章 温度的测量 / 31

32 / 被忽视的物理定律

33 / 水银温度计

34 / “热胀冷缩”现象

35 / 电阻温度计

35 / 低温超导与高温超导

37 / 科研与实用

39 / 低温气体温度计

40 / 真正的基础科学

41 / 其他类型温度计

第4章 温度的存储 / 43

43 / 什么是存储

44 / 最常用的加法运算

45 / 叠加与守恒

48 / 能量守恒定律

50 / 热质说与工具主义

51 / 蓄热与蓄冷

53 / “民科”的挑战与辉格科学史

第5章 温度的传递 / 57

58 / 温度传递怎么成为可能

58 / 温度传递的方式

59 / 温度的连续性

60 / 热传导方程

61 / 热传导的强化与削弱

63 / 复杂的热对流

63 / 应用科学技巧

65 / 对流换热的一般规律

第6章 太阳的温度 / 67

68 / 太阳能的利用

69 / 地球温度的变化

70 / 黑体与白体

72 / 再论地球的温度变化

73 / 温室效应与全球变暖

75 / 太阳温度的测量理论

76 / 星体的温度

77 / 黑洞的温度

79 / 宇宙的温度

80 / 现代实验的意义

82 / 黑体辐射与紫外灾难

83 / 再论太阳温度

84 / 可证伪性与科学定义

85 / 研究太阳的意义

第7章 理想气体的温度 / 88

88 / 理想气体的性质

89 / 什么是理想气体

91 / 理想气体有什么用

93 / 理想气体的假设

94 / 理想气体的温度

95 / 理想气体性质的证明

96 / 物理常数的定义

99 / 物理常数真的是常数吗

99 / 测量与物理常数

100 / 物理常数的测量

102 / 理想气体常数测量与针尖上的天使

103 / 理想气体的悖论

第8章 能量 / 105

105 / 科学概念与语言

107 / 科学概念与公众

109 / 概念的实在性

111 / 最早的能量单位——卡路里

112 / 能量守恒定律

112 / 牛顿力学中的能量

114 / 热力学中的能量

116 / 其他能量

120 / 能量守恒定律既是定义又是分类法

121 / 永动机为什么不存在

122 / 定义的意义

第9章 温度的有序性 / 125

125 / 热力学第二定律可信吗

128 / 卡诺循环

131 / 设计一个高效循环

131 / 热源的分类

133 / 如何设计高效热机

137 / 技术进步的要素

139 / 政府主导的技术进步

第10章 熵 / 141

141 / 克劳修斯的熵

142 / 宇宙的归宿——热寂

143 / 温度的定义

143 / 玻尔兹曼与熵

145 / 原子论与还原主义

147 / 吉布斯佯谬

150 / 可分辨的悖论

152 / 失忆的麦克斯韦妖

154 / 信息熵

155 / 非平衡状态下的熵

156 / 自组织与对称破缺

158 / 时间是什么

160 / 宇宙视角下的熵

第11章 温度的极限 / 164

165 / 获取更高温度的方法

168 / 人造温度的极限

168 / 超高温下的温度定义

169 / 高温的极限

170 / 低温环境

171 / 制造低温

172 / 新的制冷方式

173 / 低温的测量

175 / 超低温特性与应用

176 / 超低温与凝聚态

176 / 低温的极限

179 / 研究成果即定义

参考文献 / 181

后记 / 182