
| 作 者 | 彭笑刚 |
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| 单 位 | 浙江大学 |
| 内容提要 | 本教程是教育部化学“101计划”核心教材,旨在总结过去100多年物理化学的突破性进展,兼顾经典理论与新的学科发展,力争系统、定量、与实验紧密结合。本教程上、中、下三篇,共十八章。上篇六章为基本理论,旨在建立超多分子系统理论框架。第一章从分析相互作用标度入手,引入能量,并介绍原子分子的能量量子化。第二章探索量子统计热力学基本思路,定义熵与温度,完成超多分子系统理论三个基石性概念的引入。第三章建立正交量子自由度的统计热力学方法,基于不同类型自由度的能级结构构建基态能、热能和熵计算方法。第四章分析宏观热现象,探讨以第一定律为基础的热力学的实质与意义。第五章建立可逆过程和宏观平衡态概念,热力学第二定律的化学陈述及两种互补的定量表达。第六章建立可逆过程热力学,在宏观外源自由度之外引入内秉自由度,为化学热力学做准备。
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目前中国高等学校化学学科教学体系承袭自前苏联。虽然在几十年里不断修订、不断加入一些新的实验结果,但化学基础教科书依然是~100年前的旧框架。教育部101计划从教材体系入手,可能不会导致教学水平立竿见影地上升层次,但应该是抓住了中国大学现行教育体制的病根。按照化学101计划专家组组长高松校长的解读,101在西方大学教学系统中代表一个学科的入门课,化学101计划也就是旨在解决中国大学化学教学体系现代化的入门问题。
《物理化学教程》并不是彻底的新体系。该书的大框架基本承袭《物理化学讲义》,试图从能量、熵、温度三个基石性变量出发,构建超多分子系统(宏观化学系统)的统一理论。一方面,该框架突破了现有的高等学校化学的教学体系;另一方面,在西方,物理化学课程不区分原子物质观(量子化学)与分子物质观(宏观化学理论),而是强调两者的统一(实际上只能停留在表面、以同一个课号教授)。因此,《物理化学讲义》的大框架不只是与前苏联体系不同,而且实际上不同于西方现行框架,当年出版《物理化学讲义》的时候心里多少还有点忐忑。
《物理化学讲义》成书于2008-2012年,于2012年正式出版、并重印(无修订)了十次。依据这些数据,可以大致判断,原书的探索性框架在过去的十多年里得到了中国高校师生一定程度的喜爱。过去十多年里,著者一直在浙江大学讲授物理化学或大学化学,偶尔会到访国内其他高校给本科生上课;同时,著者没有放下化学研究,而是把研究的前线扩展到化学的多个方向(包括产业化)。十几年读者的厚爱与反馈、自己教学与科研两个方面的实践告诉著者,《物理化学讲义》的大框架值得保留。相对独立地建立一套超多分子系统理论,这个框架也许最终将发展成为中国特色高等学校化学课程体系的一个组成部分。
《物理化学教程》可能会是该发展路径的一个中间站。
相比于《物理化学讲义》,《物理化学教程》只是在大框架上相同,实际内容——包括章节结构——重新构思、以新的叙事体系展开,力求达到基础、系统、定量的理论科学标准,展现过去十多年著者所体会的分子物质观理论。同时,过去十多年的教学与科研实践经验告诉著者,任何科学理论都不能与实验事实割裂,越是成功的理论越是能覆盖更多的实验事实、越是在定量水平上与大量实验事实一致。相信读者会看出来,这个经验总结其实与“实践是检验真理的唯一标准”的说法异曲同工。
《物理化学教程》在实际内容与叙事体系上的一个大不同,就是直接引用了数千条实验数据,进而用分子物质观理论对这些数据进行定量解读。
引用实验数据不只是让读者有学以致用的机会,而且经常给竞争性理论学说以直接的、毫不含糊的、甚至令人瞠目结舌的判决。在这个方面,《物理化学讲义》的叙事风格颇为不同,成书的时候,著者自身的认识与积累严重不足,常常苦于实验数据难求。直到著述《大学化学讲义》的时候,著者才能大规模地找到可靠的实验数据、在该书中加以引用与解读。这个意义上,《物理化学教程》沿袭了《大学化学讲义》以实验数据为基础的叙事风格,甚至直接沿用《大学化学讲义》的少量数据。
在中国农耕文化背景下成长,中国大学的年轻学子往往钟情于标准答案,这实际上成了中国科学走向引领地位的一个障碍。《物理化学教程》虽然更为系统定量、更与实验事实贴近,但至多是物质观理论的暂时框架,必然存在大量的缺口空白、肤浅矛盾、错误疏漏。最终,一个好的读者必然会对本教程产生方方面面的不满。著者以为,这是好事。相反,如果把本教程奉为分子物质观的标准答案,著者会感到失望。本质上,本教程试图呈现一套开放的知识与智慧系统,也许可提供读者打破标准答案思维定势的一条途径。
《物理化学教程》实验数据多数出自《CRC化学物理手册》、NIST Chemistry WebBook、AIST:Spectral Database for Organic Compounds、《兰氏化学手册》等数据库,也引用了一部分学术论文,著者对这些前人的工作积累抱有深深的敬意与感谢。同时,期待逐步强大的中国能够尽快建设自己的中文数据库。
《物理化学教程》成书过程中,得到了学生、同事、编辑的大力支持。特别地,高等教育出版社的李颖编辑不仅仅做好了编辑本职工作,而且在课程建设的方方面面提供了帮助;北京大学高毅勤教授花了大量时间,审读了第一版书稿;浙江大学化学系博士生徐子豪对本教程投入了大量的热情与精力,全篇通读了书稿、提出了一些建设性意见,特别地,他对液态热容原理提出了一条更为自洽的思路,最终导致定量符合大量实验数据公式的建立。
彭笑刚
2025年4月于杭州
上篇 分子物质观基本理论
第1章 能量与能量量子化
第2章 从单分子到超多分子:熵与温度
第3章 分子性质与宏观可观测量
第4章 热现象与热力学
第5章 可逆过程热力学与第二定律
第6章 可逆过程热力学基本框架
中篇 超多分子系统物质结构
第7章 分子间相互作用
第8章 纯物质体相性质
第9章 溶液的基本性质
第10章 溶液与多相混合物
第11章 表面与胶体(1):表面与界面
第12章 表面与胶体(2):胶体溶液
下篇 超多分子系统化学变化
第13章 化学平衡
第14章 非平衡态热力学与运输过程
第15章 局域平衡态与理论动力学
第16章 实验化学动力学
第17章 能源化学(1):电化学
第18章 能源化学(2):光化学

