▎小结
原子是组成物质的基本单位，它的直径约为10-8厘米。一颗红血球细胞的直径相当于40000个原子的直径，而红血球差不多已经是可见光下能看见的最小物体了。热就是分子的振动，因为分子拥有动能。分子振动的速度堪比声速（340米/秒）。固体虽然存在猛烈的振动，但是原子仍然留在原来的位置上。我们通过布朗运动可以观察到这种振动的效应。布朗运动也表现在电子噪声（比如嘶嘶声）中。
如果两个物体的温度相同，那么它们中的分子平均动能也是相同的。但是，分子的速度并不相同。如果两个不同质量的分子具有相同的动能，那么较轻那个分子的速度更高。最轻的分子，氢气（H2），移动得如此之快，以至于大部分氢气都挣脱了地球的引力，从此在大气中销声匿迹。
温度可以用华氏温标或摄氏温标来度量。但是物理学上更有用的单位是开尔文温标（K），或者叫绝对温标，在这种温标下，0K对应的是每分子动能为零。1K的变化等于1℃的变化，等于9/5℉≈2℉的变化。
大部分物体受热时都会膨胀，通常是每摄氏度膨胀1/1000—1/100000。这种现象被应用在温度计上，人行道的缝隙也是因此预留的，而且如果说全球变暖使海洋温度升高，这种效应还会导致海平面更大幅度的升高。
热可以通过热导体传递，因为互相接触的原子可以分享彼此的动能。气体变热后就会膨胀。理想气体定律基本准确地描述了膨胀的规律，该定律认为，气压和绝对温度是成比例的。热可以通过热辐射流动，也可以通过热对流流动。
当一个物体因为吸收了太多能量而变得过热时，就发生了爆炸。正是气体的高压及其产生的快速膨胀形成了爆炸。这样的爆炸也会发生在内燃机的汽缸中，我们利用这些爆炸来为我们的汽车提供能量。
转化成热的能量不一定能高效转化回来。转化上限可以由如下式子计算出来：1-TC/TH。我们经常认为这些热损失掉了，而且会造成宇宙的“冷寂”。
熵是用来度量对分子无序程度的。温度更高的物体振动更剧烈，更无序，也拥有更高的熵。只要发生热流动，宇宙的熵就会增加，虽然某个物体的熵（比如你的大脑）可以下降——在你学到了东西的时候。
4条重要的热力学定律是：（0）互相接触的物体趋向于达到相同温度，（1）能量是守恒的，（2）从热中抽取有效能需要温差，以及（3）宇宙的熵永远都在增加。
能量可以用来从物体中抽取热。这就是冰箱、空调和热泵的基本工作原理。
讨论题
如果你到了一个海拔很高的地方，那里的气温通常都很低。你认为这些会对声速造成什么影响？（等我们在第7章讨论UFO时，这个问题将会变得非常重要。）
搜索题
- 在网上搜索“蹈火”（firewalking）。看看你能否找到提供蹈火训练的组织，或者解释蹈火为什么可行的网站。描述一下你的发现。
- 人体中最常见的元素是什么？把人体中的元素和地壳中的元素做比较，说一说最让你吃惊的发现是什么。
- 在网上搜索“热机”。网上有很多工程师讨论技术。你能找到新型热机吗？搜索“镍钛诺发动机”（nitinol engine）。你能找到据厂商称能在小温差下工作的热机吗？厂家是否谈到了由小温差造成的低效率（可以由效率方程算出）？
- 在网上搜索“热泵”。你能找到关于性能系数（COP）的哪些信息？热泵贵不贵？在你生活的地方热泵是一项好的投资吗？（不要猜，算出来。）
- 为什么夏天比冬天暖和？是因为地球离太阳更远吗？（不是。）太阳的亮度会发生改变吗？（不会。）为什么当澳大利亚是冬天时，我们北半球是夏天？
论述题
- 你认为本章所讲的内容哪些最重要？在纸上写下来。你将如何告诉朋友、父母或孩子里面的关键点？哪些知识点对未来生活最重要？
- 当物体受热时通常都会膨胀（也有例外）。解释一下原因，并且举例说明这种现象为什么会造成问题，以及它可以应用在哪些地方。
- 描述一下：爆炸是什么意思？对原子和分子来说，爆炸又意味着什么？
- 举例说明“小”爆炸都有哪些用处，特别是那些一般人不认为是爆炸的爆炸。
- 估算一下一张纸中有多少原子。（我故意把问题说得模糊，纸可以是任意合理的大小。你可以用我在书中说过的原子平均尺寸。）
- 讨论用来计算效率上限的式子。对汽车发动机来说，这个式子意味着什么？
- 如果你把某团气体的温度加倍，它的速度会发生什么变化？会加倍吗？（答案是不会。）算一算速度会增加多少。
选择题
1. 如果你让1千克气体的能量翻一倍，气体的温度将会（用绝对温标K度量）
A. 改变
B. 增加倍
C. 翻一倍
D. 乘4
2. 空气中的分子移动速度约为多少？
A. 1000英尺/秒
B. 光速
C. 9.8米/秒
D. 9.8厘米/秒
3. 温度所度量的是什么？
A. 平均动量
B. 平均动能
C. 平均速度
D. 平均总能量
4. 在一木桶水中，分子的瞬时速度最接近
A. 0，因为它们不动
B. 和木头中分子的移动速度相同
C. 约为1.7米/秒
D. 约为1000英尺/秒
E. 约为186000英里/秒
5. 如果房间中有一台运行的冰箱，那么它
A. 会让房间变暖
B. 会让房间变冷
C. 对房间没有影响
D. 会去除房间中的水蒸气
6. 如果房间中有一台开着门的冰箱，那么它
A. 会让房间变暖
B. 会让房间变冷
C. 对房间没有影响
D. 会去除房间中的水蒸气
7. 桌子和它上方的空气温度相同，这代表空气中的分子和桌子中的分子
A. 平均速度相同
B. 平均能量相同
C. 平均加速度相同
D. 平均质量相同
8. 冰融化的温度是
A. 0K
B. 0℃
C. 0℉
D. 100℃
9. 煤气暖炉使房间变暖主要通过
A. 热对流
B. 热传导
C. 热辐射
D. 热损耗
10. 声速
A. 在温度升高时会升高
B. 在温度升高时会下降
C. 取决于气压
D. 是常量，和温度无关
11. 如果一台汽油机制造了更热的爆炸，那么发动机的效率会
A. 不变
B. 提高
C. 降低
12. 装满水的塑料杯触感比玻璃杯更暖，因为
A. 塑料被水加热了
B. 塑料比玻璃传热少
C. 塑料比玻璃导热性好
D. 塑料在水中分解了
13. 含有质子数量最少的原子是
A. 氦
B. 碳
C. 氢
D. 氧
14. 人类头发的直径上大约可以排下多少个原子？
A. 25
B. 125000
C. 273000000000
D. 6×1023
15. 声速约等于
A. 1英尺/纳秒
B. 1英尺/秒
C. 340米/秒
D. 186000英里/时
16. 把热玻璃放进冷水中，玻璃破碎是因为
A. 它加热水的表面使其沸腾
B. 玻璃的外表面迅速收缩，而内部不会
C. 玻璃的外表面迅速膨胀
D. 热的快速传导引起了强烈振动
17. 海平面因为全球变暖而升高，主要原因在于
A. 海水的膨胀
B. 融化的冰山
C. 膨胀的海底岩石
D. 地球的收缩（但水量保持不变）
18. 温度升高2℃，约等于升高
A. 1℉
B. 2℉
C. 4℉
D. 1/2℉
19. 为一个房间供暖耗能最低的方法是
A. 直接烧天然气（甲烷）
B. 用天然气运行热泵
C. 燃烧煤
D. 燃烧汽油
20. 大气中几乎没有氢气的原因是
A. 氢气摆脱了地球引力
B. 海洋或陆地上几乎没有氢
C. 氢分子的运动速度比氧分子和氮分子慢
D. 氢都沉到地核里了
21. 流星达到10马赫时，如果它所有能量都用来给自己加热，它的温度将会约等于
A. 300℃
B. 6000℃
C. 30000℃
D. 100000℃
22. 新奥尔良防洪堤倒塌是因为
A. 被热膨胀毁坏了
B. 它是用连续的混凝土结构制造的，承受不了太大的压力
C. 在热伸缩接缝发生了泄露
D. 热伸缩接缝处比较薄弱
23. 如果温度升高5℃，那么海平面大约会升高
A. 2英寸
B. 2英尺
C. 12英尺
D. 97英尺
24. 对一般汽车来说，作为热浪费的那部分汽油能量约为（小心，这是一道陷阱题）
A. 1%
B. 10%
C. 20%
D. 80%
25. 阳光下的温度
A. 总是比阴影下的高
B. 总是和阴影下的相同
C. 有时比阴影下的低
D. 定义不太明确
26. 当一种物质冷却后，它
A. 体积不变
B. 就会收缩
C. 就会膨胀
D. 部分会收缩，部分会膨胀
27. 一个物体的熔化温度通常
A. 等于冰点
B. 高于冰点
C. 低于冰点
D. 等于沸点
28. 绝对零度
A. 是让水结冰的温度
B. 是宇宙的温度
C. 是液态氦的温度
D. 不是任何物体的温度
29. 当液体沸腾时，体积（从液体到气体）通常会变为原来的多少倍？
A. 10
B. 100
C. 1000
D. 1000000
30. 如果容器中气体的温度从0℃上升到300℃，压力会
A. 不变
B. 翻一倍
C. 变成300倍
D. 变得无限大
31. 与蹈火活动类似的是
A. 炖锅里的水会滑动
B. 航天飞机重返大气层
C. 汽车气囊打开
D. 滑水
32. 汽油爆炸需要
A. 和氧气混合
B. 和氮气混合
C. 和二氧化碳混合
D. 无需混合，只需火花
33. 要想提升效率，被点燃的热燃料和发动机较冷部位的温差应该
A. 越小越好
B. 越大越好
C. 与效率无关
34. 热在真空（不含原子）中流动
A. 是不可能的
B. 是热传导
C. 是热对流
D. 是热辐射
35. 熵度量的是（多选题）
A. 热
B. 温度
C. 无序程度
D. 能量
36. 让分子停止运动的温度为
A. 0K
B. 0℃
C. 0℉
D. 32℉
[1]为什么要说“约”？有一些已知元素具有放射性，会发生衰变，所以在自然界中非常稀有，甚至无法持续存在。其中有两种是锝（原子序数43）和钚（原子序数94）。如果只计算稳定的元素，原子种类的数量就是91。如果算上放射性元素，数量就会超过100。
[2]这些原子可以有很多种结合方式。这就是DNA编码你的遗传信息的方法。不同动物的DNA分子长度也有所不同。
[3]1微米（μm）=10-6米=10-4厘米。
[4]这种小微粒的移动，最开始是在水中的花粉粒上发现的，发现者是英国植物学家罗伯特·布朗。他并不知道原子会对灰尘进行撞击，所以，当时最合理的解释就是这种运动说明小微粒是有生命的！直到1905年，爱因斯坦才推导出详细的解释，包括对振动程度和粒子大小之间关系的预测。基于他的研究，大多数科学家才终于开始相信原子理论。
[5]在固体中，声音行进的速度比在空气中快，因为固体分子之间的接触相对更紧密。它们不必移动就能把力传给下一个分子。
[6]时钟周期（cycle）是计算机处理的最小时间间隔。定义是计算机完成一个最基本操作所需要的时间。时钟周期是跟着CPU频率（主频）走的，主频3G也就是说1秒可以完成（3×109）次操作，一个时钟周期是1/（3×109）用这个数字乘光速得到约1/10米，差不多4英寸。——编者注
[7]这是经典影片《2001太空漫游》（1968）中一大穿帮镜头：一台名为“Hal”的计算机的尺寸被描绘成大得能让人走进去。顺便说一句，在英语字母表中，H后面是I，A后面是B，L后面是M。所以Hal后面的字母拼出来就是IBM。但小说原作者亚瑟·克拉克坚持说这只是一个巧合。
[8]你可能还记得第1章的热力学第一定律（能量守恒）。在本章后面我们还会描述热力学第二定律、第三定律。而第零定律被发现时，其他几条定律的编号和内容已经都定下来了，显然，大家都觉得应该把这条定律放在最前面，所以它的编号就是零。
[9]氢分子的平均速度不足以使它们逃离，但是某些氢分子的速度远高于平均值，而我们丢失的就是这些氢分子。我们也因为同样的原因丢失了一些氮分子和氧分子。但是因为它们的平均速度比氢分子慢得多，所以它们的流失量可以忽略不计。
[10]宇宙中的大多数粒子都是不可见的，比如温度极低的光子（被称为“宇宙微波背景”）和温度一样很低的中微子。所有物体，包括这些数量庞大、温度极低的粒子，把能量平均瓜分之后，就出现了冷寂。
[11]百分温标的名字改为摄氏度，是为了纪念天文学教授安德斯·摄尔修斯，他在18世纪制作了当时世界上最好的温度计，但是更名是在20世纪70年代完成的。
[12]22] 有一个有趣的历史细节，摄尔修斯建立最初温标时，把0设为水的沸点，100设为水的冰点——和我们今天的用法完全相反。数值更高的温度更冷！想来有趣，更高的温度并非从始至终毫无疑问地代表更温暖。这只是一种惯例罢了。
[13]公制（Metric）单位出现在法国大革命时期，重要的依据是十进制更方便计算。因此Metric一词还有十进制的意思。——编者注
[14]从理论上说，航天飞机可以通过“反向火箭”来减速，原理和火箭加速时相同。但是这需要大型火箭发动机、多级火箭，以及和发射时同样多的燃料。有一天，如果科技的发展使发动机和燃料的体积变得非常小，这种方法可能会变得可行。
[15]如果要进行计算，我们可以算出温度差别为72℉=40℃。如果查一下钢铁的热膨胀情况，就会发现膨胀率为每1℃百万分之十二，所以我们把膨胀率乘温度变化40℃，就得到了百万分之四百八十。这听起来很小，但是桥长度是4260英尺。用这个比率（480×10-6）乘4260，得到长度变化为2英尺。
[16]皮特·坦斯曾告诉我，生活在沿海地区的人群中，只有荷兰人不会受影响。“我们知道如何修水坝。”他说。
[17]有些人认为“阳光下的温度”这种说法是错的，因为连空气都会吸收阳光中的功率。但是这种影响非常微小，所以阳光下空气分子的平均运动情况实际上和附近阴影处非常接近。
[18]“等离子体”这个词最初是用在生物学中的，后来被诺贝尔奖获得者欧文·朗缪尔挪用到了物理中。如果你感兴趣，可以参看L. 通克斯的论文《“等离子”的诞生》（The Birth of ‘Plasma’），载于《美国物理》（American Journal of Physics）35: 857（1967）。
[19]假设某房间的室内温度是TK=300（即81℉，这间屋子挺热，但是在开尔文温标里可以近似成一个不错的整数）。每个分子的平均能量可以通过我们说过的方程算出来：E=2×10-23K。把数字带入方程，就能得出每分子热能=2×10-23×300=600×10-23焦耳=1.4×10-24大卡。每1克TNT中含有2.6×1021个分子。所以1克TNT中的热能就是每分子能量乘以分子数：ETNT=（1.4×10-24）（2.6×1021）=0.004大卡/克。所以在一般情况下，TNT中的热能比爆炸释放的化学能少得多。
[20]军队根据同样的原理制造了“杀伤（粉碎性）炸弹”以及“杀伤（粉碎性）手榴弹”。俗话里说的“杀伤”最初的意思就是用杀伤性手榴弹进行袭击。
[21]在很多物理和化学教科书中，理想气体定律被写成P=nkTK，n代表单位体积的分子数，而k是玻尔兹曼常数；另一种写法是P=NkT，N代表分子总数。
[22]有个名叫霍华德·舒格特的物理教授有一门绝活，他能把一点液氮倒进嘴里然后再使劲吐出来。这样他就从嘴里喷出了一条巨大的雾柱（大部分都是被冷空气凝结的水滴），班上的学生纷纷鼓掌。我从来都没有勇气（或者足够愚蠢）尝试这个。我听说有其他教授用液态氢漱口，莱顿弗罗斯特层会保护他们的喉咙。这种事我还是不掺和了。但是我确实曾经把液态氢倒在手上，只要保持表面倾斜，冷液体就可以流走，有一点冷。但是别把手握起来，把液氢留在手中某个位置。皮肤突然冻结所造成的伤害和严重烧伤差不多。
[23]正如我在第1章说过的，工程师有时喜欢区分“爆炸”和“爆燃”。在爆炸中，燃烧表面比声速还快。如果要使用精确的术语，汽车中汽油的燃烧属于爆燃，而不是爆炸。但是我不会分得这么细。
[24]（比如）电动车中使用的电动机、帆船、风车房（用来磨面粉）、发条玩具、你身体中的肌肉。
[25]假设一辆汽车在水平路面上以每小时50英里的速度行驶，每加仑汽油可行驶30英里。虽然这台车的峰值功率为150马力，我们假设在这种条件下它只用了25马力。汽油的密度约为6.2磅/加仑。利用这些数字，你可以算出汽油的使用速率约为10000克/时。按每克10大卡计算，汽油中的能量可以输出约30大卡/秒=123千瓦。但发动机实际输出的能量通常来说只有25马力=18千瓦。根据这些假设，能量效率为18/123=0.15=15%。
[26]如果散热器停止工作，发动机就会变得非常热（过热），润滑油会分解，于是金属活塞就无法在金属汽缸中平滑地滑动——它们互相刮擦并连接在一起。我们用一个富有讽刺意味的词来形容金属部件粘连的过程：发动机“冻住了”——虽然这一切都是高温造成的。