物理化學:(熱力學與動力學篇) 

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黃定加
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具体描述

  本書中之論述力求簡明扼要、循序漸進,且於書中多舉例題以提昇學習的效果,並於各章的後面均附習題,以備讀者自行研習解答,增進對於有關理論的瞭解。本書中之專有名詞的後面,均附其對照的英文名詞。本書的內容適合作為一般大學及科技大學之化學、化學工程、環境工程、材料科技、生化科技與醫藥學系及相關研究所之物理化學及相關課程的教材,亦可作為從事上述各領域之研究及工作人員的參考書。本書所包括的內容較多、範圍較廣且較深入,教師可配合系所之發展重點及需要,自行選擇適合的章節內容講授。

本書特色

  1.本書中之論述力求簡明扼要、循序漸進,且於書中多舉例題以提昇學習的效果,並於各章的後面均附習題,以備讀者自行研習解答,增進對於有關理論的瞭解。

  2.本書的內容適合作為一般大學及科技大學之化學、化學工程、環境工程、材料科技、生化科技與醫藥學系及相關研究所之物理化學及相關課程的教材,亦可作為從事上述各領域之研究及工作人員的參考書。

  3.本書所包括的內容較多、範圍較廣且較深入,教師可配合系所之發展重點及需要,自行選擇適合的章節內容講授。
现代材料科学前沿:从微观结构到宏观性能的调控 本书概述: 《现代材料科学前沿:从微观结构到宏观性能的调控》是一本深度聚焦于当代材料科学研究热点与发展趋势的专业著作。全书系统梳理了构成现代工程与技术基石的各类先进材料,并深入剖析了连接材料微观结构(原子、晶格、缺陷)与宏观可观察性能(力学、电学、光学、热学)之间的复杂关联与调控机制。本书旨在为高年级本科生、研究生以及从事材料研发和应用领域的工程师和科研人员提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识框架。 第一部分:材料科学的基石与新范式 第一章:材料科学的学科交叉与研究方法论 本章首先回顾了材料科学从传统冶金、陶瓷、高分子科学发展而来的历史脉络,强调其作为物理学、化学、工程学、数学等多学科交叉融合的本质。随后,重点阐述了现代材料研究的三大支柱:实验表征、计算模拟和理论建模。详细介绍了先进的微区分析技术,如高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、同步辐射光源下的X射线衍射(XRD)与散射技术(SAXS/WAXS),以及二维材料光谱分析技术(如拉曼光谱、光电子能谱)。同时,探讨了密度泛函理论(DFT)在预测材料电子结构和稳定相方面的应用,并引入了机器学习(Machine Learning)和人工智能(AI)在材料数据挖掘和“逆向设计”中的新兴作用。 第二章:晶体结构、缺陷工程与本征性能 本章聚焦于固体材料的微观有序性——晶体结构。详细阐述了布拉维点阵、晶体学符号、晶体对称性及其对宏观各向异性的影响。核心内容聚焦于“缺陷工程”。我们不再将晶体缺陷(点缺陷、线缺陷、面缺陷)视为“不完美”,而是将其作为调控材料性能的关键手柄。深入分析了空位、间隙原子、位错在扩散、塑性变形和电荷传输中的作用。特别讨论了如何通过精确控制掺杂浓度和热处理工艺来“定制”半导体和陶瓷的本征电学和机械性能。 第二部分:先进结构材料的性能调控 第三章:高性能结构金属的强韧化机制 本部分将视角转向工程应用最广泛的金属材料。本章深入探讨了现代结构钢、铝合金、钛合金及高熵合金(HEAs)的最新进展。重点阐述了通过细化晶粒(Hall-Petch效应的局限性与修正)、第二相粒子析出强化(如GP区、$ heta'$相的析出动力学)以及位错-孪晶界协同强化机制。高熵合金部分,侧重于其独特的“高熵效应”、“迟滞性变形”和“无序局域结构”,以及如何利用其超高的热稳定性和抗辐照损伤能力。 第四章:陶瓷与复合材料的功能化结构设计 本章探讨了在极端环境下运行所需的先进陶瓷和复合材料。对于结构陶瓷(如SiC、Al2O3),重点分析了其脆性本质,以及通过引入晶界工程(如晶界网络结构的设计)和纤维增韧技术(如C/C复合材料)来提高断裂韧性的途径。在复合材料方面,详细比较了颗粒增强、纤维增强和层状增强的力学耦合模型。特别关注了功能梯度材料(FGM)的设计原理,即如何通过材料组成或微结构的连续梯度变化来应对热应力或界面应力集中的问题。 第三部分:功能材料的量子与界面效应 第五章:半导体物理与下一代电子材料 本章是关于信息技术核心——半导体材料的深度剖析。从能带理论、有效质量、掺杂与载流子输运机制入手,系统阐述了PN结、晶体管的工作原理。随后,将重点转向新兴半导体领域: 1. 二维材料(2D Materials): 石墨烯、过渡金属硫化物(TMDs)的电子结构,及其在超薄器件、柔性电子中的应用潜力。 2. 拓扑材料: 拓扑绝缘体和拓扑半金属的奇特表面态和自旋-动量锁定效应,及其在低功耗计算中的前景。 第六章:能源转换材料:储能与催化 本章聚焦于解决能源危机相关的关键材料,涵盖电化学储能和光电催化: 1. 锂离子电池(LIBs)的界面化学: 重点分析固态电解质界面(SEI)的形成与演变,以及新型高电压正极材料(如富锂锰基、镍钴锰酸盐)的结构稳定性问题。 2. 燃料电池与电催化: 深入探讨贵金属催化剂(如Pt)的表面原子结构与反应动力学之间的关系,以及如何通过构建非贵金属催化剂(如N掺杂碳材料)来优化氧还原反应(ORR)的性能。 第七章:智能与响应性材料 本章探讨那些能够对外界刺激(光、电、热、磁、力)产生显著可逆响应的材料。 1. 磁性材料与自旋电子学: 介绍了巨磁阻效应(GMR)、隧道磁阻效应(TMR)及其在磁存储器中的应用。深入探讨了铁磁性与反铁磁性材料的切换机制。 2. 压电、热电材料: 详细阐述了材料的机电耦合系数和塞贝克系数的优化策略,即如何通过结构畸变和载流子有效质量调控来提高能量转换效率。 3. 形状记忆合金与自修复材料: 探讨了马氏体相变驱动的宏观可逆形变机制,以及高分子基体中通过微胶囊释放修复剂的自修复技术。 总结与展望: 本书在最后部分总结了当前材料科学面临的主要挑战,包括极端条件下的可靠性、量子效应在宏观尺度上的精确控制、以及如何加速从基础发现到工程应用的“材料创新循环”。本书强调了跨尺度、跨学科的综合研究方法是推动下一代先进材料技术突破的关键所在。

著者信息

图书目录

第一章 緒論
1-1 物理化學之由來
1-2 物理化學的課題
1-3 如何學習物理化學
1-4 SI制的單位及其誘導的單位
1-5 輔屬單位

第二章 氣體及狀態的方程式
2-1 理想氣體
2-2 氣體常數
2-3 混合的理想氣體
2-4 真實氣體
2-5 狀態的方程式
2-6 臨界常數
2-7 凡得瓦的狀態式
2-8 維里方程式
2-9 分子間的相互作用
2-10 真實氣體之其他的狀態式
2-11 對應狀態的原理

第三章 熱力學第一定律
3-1 系統與外界
3-2 系統之特性
3-3 程序或過程
3-4 內能
3-5 功
3-6 焦耳的實驗
3-7 熱量
3-8 熱力學第一定律
3-9 可逆過程
3-10 真液體的可逆氣化
3-11 理想氣體的可逆等溫膨脹
3-12 焓
3-13 熱容量
3-14 氣體之熱容量
3-15 固體之熱容量
3-16 氣體之可逆絕熱膨脹
3-17 焦耳−湯木生效應
3-18 熱化學
3-19 生成的焓值
3-20 溶液反應之焓值的變化
3-21 離子之生成的焓值
3-22 溫度對於反應的焓值之影響

第四章 熱力學第二及第三定律
4-1 自發與非自發變化
4-2 卡諾熱機
4-3 卡諾冷凍機與卡諾抽熱機
4-4 熱力學第二定律
4-5 卡諾原理
4-6 熱力溫度
4-7 熵
4-8 克勞秀士定理
4-9 可逆過程之熵值的變化
4-10 溫度與容積對於熵值之影響
4-11 溫度與壓力對於熵值之影響
4-12 不可逆過程之熵值的變化
4-13 混合理想氣體之熵值
4-14 熵值與統計的或然率
4-15 混合的熵值之統計的詮釋
4-16 熱力學第三定律
4-17 熵值之卡計的測定
4-18 化學反應的熵值變化

第五章 熱力學之基本式
5-1 平衡之準據
5-2 恆溫恆壓之平衡的準
5-3 密閉系之基本式
5-4 馬克士威關係
5-5 狀態之熱力的方程式
5-6 溫度對於吉布士能的影響
5-7 壓力對於吉布士能的影響
5-8 理想氣體之各熱力量
5-9 逸壓
5-10 開放系之基本式
5-11 部分莫耳量
5-12 吉布士−杜漢式
5-13 混合的理想氣體之各熱力量
5-14 活性度

第六章 一成分系之相平衡
6-1 相平衡之準據
6-2 相律
6-3 一成分系之相圖
6-4 一成分系內的相之穩定性
6-5 較高次級的相轉移
6-6 克拉斐隆式
6-7 克勞秀士−克拉斐隆式
6-8 蒸發

第七章 多成分系之相平衡
7-1 Raoult定律
7-2 理想的溶液
7-3 二成分系之氣−液相平衡
7-4 非理想的溶液之蒸氣壓
7-5 亨利定律
7-6 二成分的液體溶液之沸點圖
7-7 分餾
7-8 水蒸氣蒸餾
7-9 活性度係數
7-10 二成分的液體溶液之活性度係數的計算
7-11 由於非揮發性溶質之蒸氣壓的下降
7-12 溶液之沸點上升
7-13 含固相與液相之二成分系
7-14 吉布士能−組成的曲線與相圖
7-15 理想溶解度
7-16 凝固點下降
7-17 滲透壓
7-18 聚合物之滲透壓
7-19 複合物的形成
7-20 固熔體
7-21 固−氣平衡
7-22 二成分系之液−液平衡
7-23 三成分系
7-24 含固相之三成分系

第八章 化學平衡
8-1 化學反應之可逆性
8-2 一般平衡式之誘導
8-3 氣體反應之平衡常數
8-4 簡單的氣體反應之熱力學
8-5 平衡常數之測定
8-6 一些氣體反應之平衡常數
8-7 標準生成Gibbs能
8-8 壓力對氣體反應的影響
8-9 初組成及鈍性的氣體對氣體反應的影響
8-10 溫度對平衡常數的影響
8-11 非均勻系之化學平衡
8-12 溶液內的化學平衡
8-13 非理想混合氣體內的化學平衡
8-14 平衡常數之理論的計算

第九章 電化學平衡
9-1 電場強度及電位
9-2 電化電位
9-3 電化電池
9-4 電池的電動勢之量測
9-5 電池的表記法
9-6 電化電池之基本式
9-7 電解質之活性度
9-8 離子強度
9-9 Debye-Hückel理論
9-10 鹽酸之活性度係數的測定
9-11 電化電池之熱力學
9-12 電極電位
9-13 電化電池及電極反應的習慣表示法
9-14 由電池之電動勢的溶解度積之測
9-15 濃差電池
9-16 pH之測定
9-17 蓄電池
9-18 燃料電池
9-19 極化
9-20 分解電壓
9-21 極譜儀法
9-22 過電壓或過電位
9-23 膜電位

第十章 離子平衡及生化反應平衡
10-1 弱酸之解離
10-2 弱鹼之解離
10-3 弱酸與弱鹼實際之計算
10-4 離子強度對解離常數的影響
10-5 二氧化碳、碳酸、及碳酸氫離子的熱力學
10-6 微觀解離常數與巨觀解離常數間的關係
10-7 多質子酸之滴定
10-8 錯離子之解離常數
10-9 多質子酸內之統計的效應
10-10 生化反應之熱力學
10-11 三磷酸腺苷及其相關物質之酸解離常數及錯合離子解離常數
10-12 肌紅素與氧的結合
10-13 血紅素與氧的結合

第十一章 界面及膠體化學
11-1 表面張力
11-2 表面張力之測定
11-3 橫穿曲面的壓力降
11-4 壓力及液面的彎曲對於蒸氣壓的影響
11-5 接觸角與粘著
11-6 潤濕
11-7 溶液之表面張力
11-8 表面濃度
11-9 吉布士的吸附式
11-10 鹽酸之活性度係數的測定
11-11 表面的薄膜
11-12 二次元的完全氣體法則
11-13 固體的吸附
11-14 Freundlich吸附等溫式
11-15 Langmuir吸附等溫式
11-16 BET多層吸附理論
11-17 多孔性固體上的吸附
11-18 層析法
11-19 膠體
11-20 溶膠
11-21 凝膠
11-22 乳膠或乳液
11-23 疏媒性膠體之穩定性
11-24 電泳動
11-25 電滲透

第十二章 氣體的動力論
12-1 波爾子曼分佈
12-2 理想氣體之壓力
12-3 於一方向之分子的速度分佈
12-4 分子的速率之馬克士威爾分佈
12-5 分子之平均速率
12-6 氣體內之分子的碰撞
12-7 平均自由徑
12-8 分子與表面的碰撞或從孔洞之逸出
12-9 氣體內之輸送現象
12-10 輸送係數

第十三章 氣相反應動力學及基本的關係
13-1 反應速率
13-2 反應速率之測定
13-3 反應速率式
13-4 第一級反應
13-5 第二級反應
13-6 第三級反應
13-7 零級反應
13-8 分數級及第n級反應
13-9 反應速率式的決定
13-10 可逆反應
13-11 平行的第一級反應
13-12 連續的第一級反應
13-13 詳細的平衡之原理
13-14 溫度對於速率常數之效應
13-15 活化能
13-16 相化學反應之機制
13-17 正向與反向的反應之速率常數間的關係
13-18 單一分子的反應
13-19 二分子的反應
13-20 二分子的反應之碰撞理論
13-21 位能曲面
13-22 遷移狀態理論
13-23 三分子的反應
13-24 非分枝的鏈鎖反應
13-25 分枝的鏈鎖反應
13-26 觸媒反應
13-27 非均勻的觸媒反應

附錄一 物理化學常用之數學公式
附錄二 一些物質之熱力性質
附錄三 物理常數值、轉換因子及字首
附錄四 各種能量單位之轉換因子
附錄五 化學元素及其相對原子量
附錄六 向量
附錄七 稀薄溶液內的離子i之活性度係數γi之誘導

中英名詞索引

图书序言

  • ISBN:9789865034115
  • 叢書系列:大專化學
  • 規格:平裝 / 664頁 / 19 x 26 x 3.32 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

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用户评价

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說真的,拿到這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》的時候,我第一個念頭是:這大概是為準備研究所考試的戰士們設計的吧?內容的深度絕對不是大學部基礎課本能比擬的。它在處理相平衡那塊,簡直是把吉布斯自由能的魔力發揮到極致,從單一組分到多組分體系的活度(Activity)處理,那種嚴謹度,讓我對好幾年前學過的基礎知識又有了全新的認識。特別是涉及非理想溶液,對愛因斯坦(Einstein)的某些修正公式的引用,非常到位,這在一般的教科書裡頭,通常只會點到為止,但這本書直接把相關的實驗數據和理論模型做了對照分析,對於想做進階研究的人來說,這部分資料的價值極高。動力學方面,對複雜反應機構(如連鎖反應、催化反應)的處理,清晰度相當高,它不只是給出定態近似(Steady-state approximation)的結果,還會討論這個近似在什麼條件下會失效,這份對近似條件的敏感度分析,讓我對化學反應的動態過程有了更審慎的態度。總體而言,這本書的編排結構非常適合做為進階的參考書,內容精煉,邏輯跳躍度偏高,需要讀者本身已經具備相當的基礎盤。

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這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》給我的感覺,就像是學術界的一面明鏡,它毫不留情地展示了物理化學知識體系的完整性與複雜性。讀起來的感受是,它對概念的界定非常嚴格,沒有太多「大概」、「或許」的模糊地帶。例如在討論熱化學數據時,對測量誤差和數據標準化的要求極高,這對於從事精確測量工作的人來說,是非常實用的指導。動力學這一塊,它對活化絡合物理論(Activated Complex Theory, ACT)的闡述,比起其他教科書,更側重於量子化學的基礎,如何將分子振動和轉動的配分函數(Partition Function)引入到速率常數的計算中,這個層次是遠超一般大學課程的。雖然書裡頭的習題難度偏高,很多都需要多個章節的知識融會貫通才能解出來,但正是這種挑戰性,才讓真正掌握知識的過程變得有價值。它不是那種讓你快速「學會」物理化學的工具書,而是一本引導你「深入思考」物理化學本質的深度讀物。

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說實話,當初會購入這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》純粹是為了應付一個非常難搞的專題研究方向。這本書的優勢在於它對「過程」的描述極其細膩。舉例來說,在處理化學熱力學的電化學部分,它對能斯特方程式(Nernst Equation)的推導,不僅考慮了標準狀態,還詳細分析了各種非標準條件下,電化學電池的吉布斯能變化如何與濃度和溫度掛鉤,這對於在不同環境下進行電化學測量時,是極為關鍵的理論依據。再來,動力學方面,對流體動力學效應在反應速率上的影響,雖然只是附帶提及,但其引用的文獻和簡要的修正模型,已經足夠讓人知道在真實反應器中,擴散速率可能成為限制步驟,這提醒了我們不能只用均相反應的理論去套用所有實際情況。這本書的章節安排邏輯性很強,從平衡到非平衡的過渡非常自然,就像是攀岩,每一步都有穩固的立足點,雖然最終要到達頂端需要極大的耐力,但路徑規劃得非常好,讓人知道自己下一步該往哪裡走。

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我記得我當初翻閱這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》的時候,印象最深刻的是它對於「可逆性」的哲學探討。熱力學第一定律和第二定律的基礎假設,這本書沒有像其他教材那樣只是快速帶過,而是用非常學術化的語言,去闡述能量守恆和熵增的根本差異,這對建立穩固的物理化學世界觀非常重要。那種將宏觀現象追溯到微觀統計物理基礎的努力,讓我覺得這不只是一本解題指南,更像是一本思想啟發錄。翻到動力學部分,關於活化能(Activation Energy)的討論,書中並沒有停留在阿瑞尼斯(Arrhenius)公式的表層,而是深入到過渡態理論(Transition State Theory, TST)的細節,對統計力學如何應用於計算反應速率常數的過程,解釋得非常透徹,甚至連碰撞理論(Collision Theory)和TST之間的互補與差異都有詳細的比較。這本書的圖表繪製質量也很高,很多複雜的能量面圖,配上清晰的文字註解,比起其他原文書的翻譯版,本土化的表達方式更貼近我們的學習習慣,讀起來非常順暢,儘管內容深度要求很高,但閱讀體驗卻是上乘的。

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這本《物理化學:(熱力學與動力學篇)》光是書名就讓人感受到那種厚重且紮實的學術氣息,拿到書的時候,第一個感覺就是「這下有得啃了」。內容編排上,感覺作者在處理熱力學這塊時,用了非常詳盡的推導過程,對於像我這種數學基礎不是頂尖,但又想把觀念搞通的學生來說,初看可能會覺得有點吃力,畢竟公式推導一步一步來,中間的邏輯鏈條抓不好,後面就容易斷鏈。但仔細跟著走過幾遍後,會發現這種鉅細靡遺的解釋,正是它最大的優點。尤其是關於熵(Entropy)的介紹,課本通常會用比較抽象的方式帶過,但這本書似乎花了更多篇幅去連結微觀統計力學的觀點,讓原本只是一個「狀態函數」的概念,變得稍微可以觸摸到實體的意義。動力學的部分,對反應速率常數的溫度依賴性那塊著墨不少,平衡常數和速率常數之間的關係闡釋得很清楚,這對實驗設計非常有幫助,不會讓你只是背公式,而是理解為什麼某些反應在特定溫度下就是跑不快。整體來說,它不是一本讓你輕鬆入門的書,比較像是一個導師,會在你迷惘時,把所有細節攤開來給你檢視。

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