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本书将物理化学概分成热力学（第1章至第8章）、量子化学（第9章至第14章）和动力学（第15章至第17章）三大部分。作者透过多年教授物理化学之丰富经验，并结合日常生活之相关知识，完成了本书的撰写。内容深入浅出，每个环节都有详细的说明，微积分基础较弱的学生更为适用。每个章节并搭配一些重要的例题以提供学生演练的机会，并加深对此课程的了解。每章最后尚有各校研究所考题的精选综合练习题目，并于书末附有详解，希望借由循序渐进地研读本书，可以增进读者对物理化学的信心，打好化学的扎实基础。

蔚蓝星河的秘密：宇宙航行与星际文明探索 图书简介 本书《蔚蓝星河的秘密：宇宙航行与星际文明探索》并非一本关于分子结构、热力学定律或化学平衡的教科书。它是一部深植于对浩瀚宇宙无尽好奇心的宏大叙事，一次跨越光年的史诗级旅程。我们聚焦的不是微观世界中的能量转换，而是宏大尺度上，人类文明如何挣脱地球引力的束缚，如何在黑暗的宇宙深空中寻找同伴，以及我们面对未知的恐惧与希望。 本书旨在为读者描绘一幅未来宇宙图景：一个充满工程奇迹、哲学思辨与文明冲突的广袤舞台。我们以严谨的科学推演为基石，结合大胆的想象力，构建了一个详尽的星际探索路线图。 第一部分：挣脱摇篮——超光速航行与时空结构 本书开篇即探讨了人类文明迈向星际时代的核心技术瓶颈：速度。我们详细剖析了当前物理学框架下，超光速旅行（FTL）的理论可能性与实践障碍。这不是简单的科幻幻想，而是基于爱因斯坦广义相对论的延伸探讨。 曲率驱动与空间褶皱： 我们深入研究了米格尔·阿库别瑞（Alcubierre Drive）等理论模型的数学基础。本书将详细解析如何利用负能量密度或奇异物质来扭曲局部时空，使得飞船能够“搭乘”空间的涟漪航行，而非在空间中加速。我们会比较几种主流的曲率引擎设计方案，从能量需求到稳定性的挑战，力求展现其工程学的复杂性。 虫洞的构筑与维护： 另一种被寄予厚望的路径是人工虫洞的建立。本书分析了利用高维理论（如弦论的某些推论）来稳定穿越爱因斯坦-罗森桥的可能性。我们模拟了维持虫洞“喉咙”开放所需的极端条件，以及这种技术对构建星际通信网络和物资运输系统的颠覆性意义。 时间膨胀的伦理困境： 即使在亚光速航行中，时间膨胀效应也是无法回避的问题。本书用大量篇幅探讨了“时间移民”的概念，探讨了在数百年甚至数千年航行后，返回家园的宇航员将面对一个完全陌生的社会结构所带来的心理冲击与伦理责任。 第二部分：生命的疆域——宜居行星的搜寻与改造 星际航行的目的地，是那些可能孕育或适宜生命存在的星球。本书将目光投向了银河系内那些潜在的“蔚蓝星河”。 系外行星分类与生命指标： 我们采用最新的开普勒和TESS任务数据，构建了一个多维度的宜居性评估模型。这个模型超越了传统的“适居带”（Goldilocks Zone）概念，纳入了行星的磁场强度、大气层化学成分、母恒星的活动周期以及行星的潮汐锁定风险等复杂因素。 大气层工程学： 对于那些具有生命潜力但环境不适宜的行星（如富含氨气或甲烷的行星），本书详细描述了“行星地貌工程学”（Terraforming）的宏伟蓝图。这包括了部署巨型轨道反射镜以调节温度，利用基因编辑的微生物大规模改造大气构成，以及建立封闭式生态循环系统（Biospheres）的初期步骤。我们详述了对火星、金星以及一些冰巨星卫星进行改造的设想方案，包括所需的资源开采与能源供应。 异星生命形态的概率模型： 探索的最终目标是发现“他者”。本书基于化学多样性和极端环境生物学的最新研究，推演了生命在不同化学基础（非碳基生命）上出现的概率。我们将详细讨论基于硅、氮磷等元素构建的生命体可能具备的生理结构和代谢途径，为首次接触做好理论准备。 第三部分：星际文明的冲突与共存 当人类抵达遥远的星系，我们必然会遭遇已有的文明，或是建立起全新的、基于不同社会理念的殖民地。 文明演化模型与费米悖论的终极解答： 本书引入了社会熵增理论来解释费米悖论。我们认为，先进文明并非消失，而是经历了“大过滤器”——即从资源消耗型社会向信息与精神文明的彻底转型，导致他们主动选择了低调的、几乎不可探测的生存状态，以避免星际冲突带来的自我毁灭。 第一接触协议与信息安全： 面对一个完全陌生的智慧体，沟通的障碍远超语言本身。我们设计了一套基于数学常数、物理定律和基础拓扑结构的通用信息传递框架。同时，本书严肃探讨了“黑暗森林”假说下的信息暴露风险，以及如何在建立星际外交的同时，最大限度地保护人类文明的核心技术和文化弱点。 后人类主义的社会结构： 随着基因编辑、人机融合（Cybernetic Integration）技术的成熟，星际移民的“人类”定义将发生根本性改变。本书探讨了脱离了地球生理限制的“后人类”社群，他们在不同重力、不同辐射水平下，如何构建新的法律体系、经济模型和文化传承方式，以及他们与留在地球的传统人类之间可能产生的张力。 《蔚蓝星河的秘密》是一本挑战读者认知边界的作品。它要求读者以最前沿的科学知识为帆，以最深刻的哲学思考为舵，驶向那片深邃、寂静，却又充满无限可能的星海。它不是关于如何平衡酸碱溶液的指南，而是关于如何平衡人类的野心与宇宙的尺度。

作者简介

高宪明

　　目前任职于中央大学化学系专任教授。

　　于1988年毕业于台湾大学化学系，期间连续三学期得到书卷奖，接着考取台湾大学化学研究所的榜首，于1993年赴美就读纽约州立大学石溪分校，并于1998年成为化学博士，之后至美国圣路易市华盛顿大学博士后研究一年后，于1999年回到中央大学化学系任职助理教授(1999-2003)、副教授(2003-2007)，并于2007年升任教授至今，连续于2006及2007年获得中央大学研究杰出奖，于 2008年荣获第九届清华化学科技文教基金会杰出青年学者奖，并担任中央大学贵重仪器中心主任（2008-2013），目前是中央大学特聘教授。高教授的研究兴趣在于奈米材料的设计开发与应用、固态核磁共振、触媒化学和锂电池等相关领域，已经发表一百多篇的国际知名的期刊论文。

序

第1章　气体与状态方程式
1.1 气体压力
1.2 气体经验式
1.3 理想气体定律
1.4 气体混合物的分压定律
1.5 气压分布公式
1.6 膨胀系数与压缩系数
1.7 循环规则
1.8 真实气体：凡得瓦气体方程式
1.9 压缩因子
1.10 维里级数
1.11 临界状态
1.12 对应状态定律

第2章　热力学第一定律与热化学
2.1 热力学系统及其内能
2.2 功和热
2.3 焓
2.4 热容量
2.5 CP与CV之间的关系
2.6 热容量与分子的自由度
2.7 焦耳实验
2.8 焦耳－汤姆森膨胀
2.9 理想气体的绝热过程
2.10 反应热
2.11 赫斯定律

第3章　热力学第二定律、第三定律与自由能
3.1 卡诺热机
3.2 熵与热力学第二定律
3.3 计算可逆过程的熵变化
3.4 熵的状态函数性质
3.5 理想气体混合时熵的变化
3.6 热力学第三定律与标准熵
3.7 自由能G和A
3.8 热力学方程式
3.9 自由能G和A的性质
3.10 气体混合的Gibbs自由能
3.11 Gibbs自由能与温度的关系
3.12 真实气体的Gibbs自由能

第4章　化学平衡
4.1 化学平衡的概念
4.2 平衡常数
4.3 自由能和平衡常数
4.4 反应的偶合
4.5 平衡常数与温度变化的关系

第5章　相平衡与溶液
5.1 纯物质的相平衡条件
5.2 克莱匹隆方程式与克劳休－克莱匹隆方程式
5.3 相变化的分类
5.4 拉午耳定律
5.5 化学势与活性
5.6 理想溶液的性质
5.7 过量性质
5.8 亨利定律
5.8 部分莫耳分量
5.9 依数性质

第6章　相　图
6.1 自由度与相律
6.2 单一成分系统的相图
6.3 两成分理想溶液系统之液气相图
6.4 槓桿定则
6.5 蒸馏
6.6 部分互溶之两成分系统
6.7 固液态之相图
6.8 混合物的熔化行为

第7章　溶液的离子理论
7.1 电解质的分类
7.2 离子传导与导电度
7.3 Oswald稀释定律
7.4 离子的运动性
7.5 迁移数目
7.6 离子的活性
7.7 德拜－徐可的离子溶液理论
7.8 测量活性系数
7.9 杜南平衡

第8章　电化学
8.1 伏打电池
8.2 电位
8.3 标准电极电位
8.4 电化电池的热力学与平衡常数
8.5 纳斯特方程式
8.6 电池
8.7 电池电位与pH

第9章　古典量子力学
9.1 光的波动性质
9.2 黑体辐射
9.3 光电效应
9.4 波尔的氢原子理论
9.5 德布罗意物质波

第10章　量子力学原理
10.1 算符
10.2 换位算符
10.3 本征函数与本征值
10.4 Hermitian算符
10.5 指数算符
10.6 薛丁格方程式与波函数
10.7 Dirac符号
10.8 海森堡测不准原理
10.9 量子力学的假设

第11章　盒中质点
11.1 微分方程式
11.2 一维的盒中质点
11.3 共轭烯类
11.4 穿遂效应
11.5 三维的盒中质点

第12章　简谐振盪子与角动量
12.1 古典的简谐振盪子
12.2 以级数解二次微分方程式
12.3 量子力学的简谐振盪子
12.4 Hermite多项式
12.5 振动波函数的特性
12.6 双原子分子的振动
12.7 量子力学的角动量
12.8 角动量在不同座标系统之间的转换
12.9 角动量的本征函数及本征值
12.10 环中质点
12.11 刚体转子与双原子分子的转动
12.12 角动量的阶梯算符

第13章　氢原子与原子结构
13.1 氢原子的结构
13.2 量子数与原子轨域
13.3 原子轨域形状
13.4 电子密度分布函数
13.5 电子自旋
13.6 塞曼效应
13.7 氦原子
13.8 微扰理论
13.9 变分法
13.10 庖立互不相容原理
13.11 氦原子的激发态

第14章　多电子原子、分子轨域及光谱
14.1 多电子原子的角动量耦合
14.2 原子的项图记号
14.3 韩德定则
14.4 原子光谱
14.5 简单分子与玻恩—奥本海默近似法
14.6 分子轨域理论简介
14.7 氢分子的分子轨域
14.8 双原子分子的分子轨域
14.9 分子项图记号
14.10 富兰克－康登原理
14.11 分子的转动光谱
14.12 双原子分子的振动光谱
14.13 双原子分子的振动转动光谱
14.14 多原子分子的混成轨域
14.15 胡克耳分子轨域理论

第15章　化学动力学
15.1 反应速率的定义与反应速率式
15.2 速率积分式
15.3 可逆的一级反应
15.4 平行一级反应
15.5 连续一级反应
15.6 稳定状态近似法
15.7 单一分子反应
15.8 阿瑞尼斯定律
15.9 催化
15.10 酵素（或酶）的催化
15.11 臭氧层的化学
15.12 自由基连锁聚合
15.13 碰撞理论与过渡状态理论

第16章　气体的分子动力学
16.1 气体动力论的假设
16.2 气体的速率分布
16.3 平均自由径
16.4 气体分子的碰撞频率
16.5 逸散和扩散
16.6 碰撞理论

第17章　统计热力学
17.1 前言
17.2 波兹曼分佈定律
17.3 统计热力学的热力学性质
17.4 移动分配函数
17.5 双原子分子：振动分配函数
17.6 双原子分子：转动分配函数
17.7 电子分配函数
17.8 分子的电子分配函数

综合练习解答
索引

气体和我们的日常生活息息相关，例如：空气主要的成分是氮气（约79%）和氧气（约20%），夹杂一些其他的少量气体如水蒸气、氩气、二氧化碳等等。气体的主要特征是它很容易被压缩，因此可利用此特性将气体压缩于钢瓶而方便运送。气体的压缩性质可以与液体和固体作区分。

描述气体的性质需要知道气体的体积（V）、温度（T）、压力（P）及其气体量（n），对于气体而言，可利用所谓的「理想气体定律」（ideal gas law）将气体的压力、体积、温度和莫耳数这四个参数以一简单的公式联结起来，只要知道其中三个参数，便可利用理想气体的公式计算出第四个参数的值。例如：假设想要测定钢瓶中有多少氮气的话，可以量测其压力、温度和体积（钢瓶体积），然后利用理想气体定律，便可计算出氮气在钢瓶中的量。相反地，在固体和液体则无此简单的公式。

1.1　气体压力

压力（pressure, P）的定义是单位面积所施加的外力，压力的国际系统（SI）单位是kg/(m•s2)，称为帕斯卡（pascal, Pa），此压力的单位是为了纪念研究流体压力的法国物理学家帕斯卡。值得注意的是，帕斯卡比大气压力是相当小的单位。但是传统上化学家已经习惯使用水银气压计（manometer）测量大气的压力，水银气压计（图1.1）是利用置于封闭瓶的水银（即汞）柱量测瓶内气体的压力。在海平面上，水银柱的高度约760 mm，此高度是直接测量到的大气压力。毫米汞柱（millimeters of mercury，简写为mmHg）的单位亦称托耳（torr），大气压（atomsphere，简写为atm）是刚好等于760 mmHg的压力。

压力P与气压计液柱高度h之间的关系式为：

P = ρgh

其中ρ为气压计内液体的密度，g是重力加速度常数（9.81 m/s2），高度h正比于气压，因此压力经常以mmHg作为单位。如果ρ、g和h是以SI为单位的话，则压力的单位为帕斯卡。表1.1整理不同压力单位之间的关系式。

1.2　气体经验式

压力、温度、体积和莫耳数是所有气体的四个参数，将气体其中两个的物理性质固定时，可导出其他两个参数的简单关系式，在17世纪和19世纪中期发现此定量的关系式称为气体经验式（empirical gas laws）。兹分述如下：

波以耳定律：体积和压力的关系

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容着实令人惊叹，我感觉自己仿佛进入了一个全新的知识领域。它用一种非常清晰且富有逻辑性的方式，将原本在我看来高不可攀的物理化学概念变得触手可及。我记得在学习关于“化学键”的部分时，作者用了非常形象的比喻，将原子之间的相互吸引和排斥比作了小孩子之间的拉锯战，通过对电子云的描述，让我这个文科生也能大概理解原子是如何通过共享或转移电子来形成稳定的分子。更让我惊喜的是，书中并没有止步于理论的讲解，而是大量引用了现实生活中的例子，比如我们每天吃的食物是如何被消化吸收的，药物是如何在人体内发挥作用的，甚至是我们使用的各种材料，比如塑料、金属，它们内部的结构和性质都是如何由物理化学原理决定的。这些贴近生活的例子，让那些抽象的概念瞬间变得鲜活起来，我能够清晰地看到理论是如何指导实际应用的，这极大地提升了我学习的兴趣和动力。我尤其欣赏书中对“催化剂”作用的阐述，它不仅仅解释了催化剂如何加速化学反应，还探讨了不同类型的催化剂在工业生产中的重要性，甚至延伸到了生物体内的酶也是一种重要的生物催化剂，这种由点到面、由微观到宏观的讲解方式，让知识体系更加完整和系统。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本书的深度和广度都远远超出了我的预期。我本来以为它会是一本比较枯燥的教科书，但事实证明我错了。作者在处理一些非常复杂和抽象的物理化学概念时，采用了极其巧妙的叙述方式，使得整个阅读过程都充满了一种探索的乐趣。我特别佩服书中对“热力学定律”的解读，它不仅仅是简单地罗列公式，而是从能量转化和不可逆性的角度，深入浅出地解释了宇宙的运行规律，甚至还联系到了信息论中的一些概念，这种跨学科的融合让我大开眼界。我之前一直觉得物理化学离我们的生活很遥远，但这本书却用大量的实例证明了，我们身边无处不在的现象，从天气变化到材料科学，从生物体的代谢到新能源的开发，都与物理化学息息相关。而且，书中对一些前沿科学领域的探讨，比如纳米技术、量子计算的原理，也做了非常浅显易懂的介绍，让我能够窥探到未来科学发展的方向，这对于提升我的科学素养非常有帮助。我尤其喜欢书中关于“光谱学”的那一部分，它不仅仅解释了不同物质如何吸收和发射特定波长的光，还揭示了光谱学在天文学、医学等领域的重要应用，让我看到了物理化学作为一门基础科学的强大生命力。

评分☆☆☆☆☆

我不得不说，这本书的设计和内容都让我感到非常惊喜。作者的叙述风格非常独特，他似乎有一种魔力，能够将那些原本晦涩难懂的科学概念，转化为一篇篇引人入胜的故事。我特别喜欢书中关于“反应速率”的讲解，它不仅仅解释了反应速度的快慢与哪些因素有关，还用了很多生动有趣的例子，比如烹饪过程中，为什么有些食物需要长时间炖煮，而有些则可以快速炒制，这背后的化学原理是什么。这种将抽象理论与生活经验相结合的方式，让我觉得学习过程充满了乐趣，一点也不枯燥。而且，书中对“电化学”的阐述也让我印象深刻，我终于理解了电池是如何工作的，为什么有些电池可以储存电能，有些则只能产生电能，这让我对我们日常使用的电子产品有了更深的认识。我之前对物理化学一直抱有一种敬畏的态度，觉得它离我太远，但这本书却让我觉得，原来这些科学原理并没有那么高高在上，它们就蕴藏在我们生活的方方面面。书中对“高分子化合物”的介绍，也让我明白了塑料、橡胶等材料的构成和性质，这对于理解现代工业和社会发展非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

这绝对是一本我读过的最具启发性的图书之一。它不仅仅是关于物理化学知识的堆砌，更重要的是，它教会了我如何去思考，如何去理解这个世界。我记得在阅读关于“量子力学”的部分时，作者用了一种非常形象的比喻，将微观粒子的不确定性描述成了一只在箱子里跳舞的小猫，我们只能在观察的瞬间才能确定它的位置，而一旦停止观察，它又会回到不确定的状态。这种描述让我对量子世界的奇妙和反直觉有了更深刻的理解，也让我意识到，我们对于现实的认知，往往是受到我们自身观察方式的限制的。而且，书中对“相变”的讲解也让我茅塞顿开，我终于明白为什么冰会融化成水，水会蒸发成汽，这不仅仅是温度的改变，更是分子排列方式和能量状态的根本变化。这种对事物内在联系的深刻洞察，让我对周围的世界充满了好奇。我之前一直觉得物理化学是一门纯粹的科学，但这本书却让我看到了它在哲学、艺术等领域的影响，比如书中对“对称性”在化学结构和物理定律中的作用的探讨，就让我看到了科学与美学的共通之处。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直打开了我全新的视角！读完之后，我才意识到，那些我们习以为常的生活现象背后，竟然隐藏着如此深刻的物理和化学原理。比如，为什么一杯热水比冷水更容易结冰？这本书里就给出了令人拍案叫绝的解释，不再是简单的一句“因为温度低”，而是深入到分子间的相互作用、能量的传递方式，甚至量子效应的微观层面。我以前觉得“为什么”这样的问题太过于基础，不值得深究，但这本书彻底改变了我的想法。它就像一位耐心的老师，一步步引导你剥开现象的层层外衣，直抵事物本质。而且，书中使用的语言非常有感染力，一点也不枯燥乏味。作者似乎很懂得如何用通俗易懂的比喻来解释复杂的概念，即使是对物理化学完全没有基础的人，也能在阅读中找到乐趣，甚至产生“原来是这样！”的顿悟。我特别喜欢书中关于“熵增定律”的那一部分，它不仅仅解释了为什么事物的混乱程度总是会增加，更让我从一个宏观的哲学角度去思考宇宙的演化和生命的意义。这种将科学知识与哲学思考相结合的写法，让这本书充满了智慧的光芒，读起来不仅仅是学习，更是一种心灵的洗礼。我之前一直对物理化学避之不及，觉得它充满了冷冰冰的公式和晦涩难懂的理论，但这本书彻底打破了我固有的偏见，让我看到了它背后蕴含的美丽和深刻。