一本里程碑式的经典之作：《现代材料热力学——平衡与稳定性》，激发你的“尤里卡”！

美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆(Long-Qing Chen) 教授这本现代材料热力学教材，紧密围绕化学势和热力学基本方程展开，并配有习题和答案。全书思路新颖，视觉独特，观点深刻，公式表述严谨优美，容易引导读者陷入沉浸式阅读、学习和理解，畅游于材料热力学领域，享受思考问题和获得知识的幸福感，无疑是一本里程碑式的现代材料热力学经典之作。希望这本书能成为我国大学生、研究生和材料热力学爱好者的良师益友。

赵宇宏

《 》译者

2024 年7 月

《》适合作为材料科学与工程及相关专业的本科三年级、四年级或者研究生一年级学生的教材，也可以帮助研究人员温习热力学基础和推导热力学关系式。 书中尽量采用简明的语言来解释热力学概念和术语。 本书强调热力学基本原理及简单热力学系统和过程，而不针对具体材料体系的应用。 希望读者读完这本书后，对热力学有一个较好的理解，能利用热力学来分析不同条件下的材料平衡，推导不同材料性能之间的关系，并且能计算材料过程中的热力学驱动力。

陈龙庆(Long-Qing Chen)教授在宾夕法尼亚州立大学执教材料热力学30 余年，写本书的初衷是分享自己多年来对热力学的理解。作者对热力学的理解主要源自阅读J. Willard Gibbs 的《关于多相物质平衡》(“On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”)。Gibbs 的文章是化学热力学的奠基石，充分体现了热力学蕴含的严谨逻辑和优美数学。作者也阅读了一些很好的现代热力学教材，包括Herbert B. Callen的《热力学和统计热力学概论》(“Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics”), Michael Modell 和Robert C. Reid的《热力学及其应用》(“Thermodynamics and its Applications”), Dilip Kondepudi 和Ilya Prigogine的《现代热力学：从热机到耗散结构》(“Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures”), Hans U. Fuchs的《热动力学》(“The Dynamics of Heat”), 以及M. Hillert的《相平衡、相图和相变》(“Phase Equilibria, Phase Diagrams and Phase Transformations”) 等。

当前已经有不少好的教材专门介绍热力学在材料科学与工程中的应用，如David R. Gaskell 和David E. Laughlin 的《材料热力学概论》(“Introduction to the Thermodynamics of Materials”), David V. Ragone的《材料热力学》(“Thermodynamics of Materials”) 和Robert DeHoff的《材料科学中的热力学》(“Thermodynamics in Materials Science”)。

大家很自然会问：

“为什么要再写这本材料热力学呢？”

作者想通过强调本书如下的几个特点来回答上面的问题。

1许多人认为熵S 和化学势μ 是热力学中最抽象、最难理解的两个概念。本书在第1 章定义基本术语时就引入了这两个概念，强调了化学势μ、温度T 和压强p 都可以作为势，是强度变量；熵S、体积V 和化学物质的量N 可以类比为一种物质类型，是广度变量。将Gibbs 定义的简单热力学系统的7 个基本热力学变量(U、S、V 、N、T、p 和μ) 分为能量(U)、物质(S、V 、N) 和势(T、p、μ) 三类，既强调了能量、物质和势这三类热力学变量之间的联系，又强调了它们之间的区别。

2几乎所有的现代材料热力学教材都是讨论传统的热力学第一定律形式，即利用封闭系统与环境热和功的交换确定系统内能的变化。而本书则直接用开放系统在一组给定的势(热势：温度；机械势：压强，化学势) 的条件下通过物质(热物质：熵；机械物质：体积；化学物质：摩尔数) 和环境的交换引起的内能变化引入了一个现代的热力学第一定律形式。这个现代第一定律形式会为以后讨论不可逆非平衡热力学提供很大的方便。

3热力学第二定律是公认的另一个难点，本书将熵产生率与热力学能量耗散率或驱动力直接定量地联系起来，从而可以利用相关热力学量来定量计算任何不可逆过程中产生的熵。而在现有文献中，熵产生和能量耗散之间的联系通常在不可逆热力学中才讨论。

4本书强调了热力学基本方程的重要性。它体现了吉布斯热力学所蕴含的数学优美和严谨，材料的所有热力学性质都可以从热力学基本方程得到。具有大学本科微积分基础的读者应该能够毫无困难地阅读这本书。书中详细描述了从热力学基本方程计算得到所有热力学性质的步骤，或根据一组常见的、可实验测量的热力学性质，用不同的辅助函数构造热力学基本方程的步骤。书中还简要介绍了统计热力学，强调系统中的微观相互作用与热力学基本方程之间的联系。

5本书再三强调了化学势的概念及其在材料科学与工程中的应用。不仅在书之伊始就连同温度、压强一起介绍了化学势，而且基本上所有热力学应用都是用化学势概念来讨论的。例如，单组分系统或二元及多元溶液系统的相平衡、化学反应平衡、晶体的晶格和电子缺陷，以及化学、力学和电学之间耦合在内的多物理问题。其实计算和讨论化学反应平衡也可以直接用化学势而不用吉布斯自由能的概念。譬如反应2A+B === A₂B 的热力学驱动力就是初始状态(反应物) 的化学势μrA₂B = 2μA + μB(A 和B 的混合态) 和最终状态(生成物、产物) 的化学势μpA₂B = μA₂B 之差。化学势决定了化学物质、化合物和相的稳定性，它们发生化学反应生成新物质、转变为新的物理状态及空间迁移的趋势。化学势的差或梯度是所有材料过程的化学驱动力。

6本书尽量避免或减少使用摩尔吉布斯自由能或偏摩尔吉布斯自由能等术语，因为无论单组分还是多组分系统，材料的摩尔吉布斯自由能或组分的偏摩尔吉布斯自由能恰恰正是相应材料或组分的化学势。而且Gibbs 认为，化学势是一个热力学基本变量，摩尔吉布斯自由能函数只是一个热力学辅助量。文献中有一种普遍误解：只有单组分系统的摩尔吉布斯自由能才等于它的化学势，或G/N = μ，G 是吉布斯自由能，N 是化学物质的量，μ 是化学势。在平衡状态下，如果相应的物质能够在不同均相区之间自由传导或流动，那么无论外部热力学条件如何，非均相系统中的势都是均匀的。在一个给定总化学组成的非均相体系里，如果所有化学物质都可以在不同均相区内或相间界面上自由地重新分布，在整个系统处于热力学平衡状态以后，任何组分的摩尔吉布斯自由能在整个系统中都是均匀的。因此，多组分系统的摩尔吉布斯自由能也是一个化学势。Gibbs 的原文和Hillert的书中也指出了这一点。譬如Gibbs 在他的文章中提到，“任何化学元素或者元素按照一定比例的组合都可以看作是一种物质，无论它本身是否能够作为一个均相物质存在。”我们可以通过“选择构成物质本身的其中一种物质作为其中一个组分”来定义组分的化学势，这样系统的摩尔吉布斯自由能“总可以被看作是一种势”。根据Hillert 的说法，“实际上，我们可以定义一个组成与整个系统相同的组分，这样一个组分的化学势等于Gm · · · · · · ”。

7本书的另一个特点是讨论了电子系统的热力学。现有的材料热力学书籍主要侧重于相平衡热力学，很少讨论电子系统热力学，而电子的化学势、电化学势的概念对于理解涉及电子的许多过程极其重要。例如，热电和光伏中的电子输运，以及电池、燃料电池和腐蚀中的电化学反应。本书将电子看作一种带电的化学物质来讨论它的热力学行为。

但还要指出的是，几个现有热力学教材中讨论比较多的内容，在本书中没有做详细讨论。首先，本书介绍了电化学势的概念和它在能量转换中的应用，但没有讨论电解质溶液热力学。其次，有几个章节提到了界面热力学的概念，但没有单独一章来专门讨论这个主题。此外，整本书重点讨论了由几个均相区组成的非均相系统，但没有讨论空间连续系统的热力学。最后，由于现在从网络直接获取数据比较便利，本书没有提供任何热力学数据表。

《 》是一位对热力学怀有真正热情的人的著作，他希望与该领域的同行、同事和学生分享这种热情。陈教授发表了800 多篇学术论文，无疑是世界上最重要的热力学专家之一。他长期以来在这一领域潜心磨炼，有自己独到深刻的理解，擅长以简洁优雅的方式解释复杂难懂的概念，为读者带来许多特别的“尤里卡！” （“尤里卡”古希腊语，意思是：“好啊！有办法啦！”）。

希望这本教材可以成为材料科学家、地球科学家、化学工程师以及物理科学工作者的必备参考书。

John C. Mauro 博士

Dorothy Pate Enright 讲席教授

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系

美国国家工程院院士

美国国家发明家科学院院士

《美国陶瓷学会会刊》主编

2024 年7 月

本文摘编自《现代材料热力学——平衡与稳定性》[ (美)陈龙庆著; 赵宇宏译. 北京 : 科学出版社, 2024. 9]一书“原书前言”“译者记”“南策文序”“谢建新序”“John C. Mauro 书评”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079222-8

责任编辑: 陈艳峰 崔慧娴

本书共分15 章，内容包括热力学系统及其基本变量，热力学第一和第二定律，热力学基本方程，统计热力学导论，从热力学基本方程到热力学性质，热力学性质之间的关系，热力学平衡态与稳定性，材料过程热力学计算，构建近似热力学基本方程，气体、电子、晶体和缺陷的化学势，单组分材料的相平衡，溶液的化学势，化学相平衡和相图，化学反应平衡，以及能量转化和电化学。

本书可作为材料、冶金类专业本科生或研究生的热力学教材，以及机械、化学、化工、生物和物理类等专业的热力学教学参考书，也可供从事材料研究和生产工作的科学技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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