▎原子、分子与热的含义

把你的两只手紧紧地合在一起，并且使劲揉搓15秒左右。（在继续阅读之前，你最好现在就试一下，如果旁边没人的话。）你的手感觉更暖和了，皮肤的温度上升了。你把动能（运动能量）转化成了热。

事实上，热就是动能，分子产生的动能。你的手之所以感觉更温暖，就是因为揉搓后分子来回振动的速度比之前更快了。这就是热的本质：原子和分子速度很快而幅度极小的振动。

现在正适合来讨论一下物质的组成。所有物质都是由原子组成的，而原子只有约[1]92种：氢、氧、碳、铁……完整的原子名单展示在名为元素周期表的图表中，如图2.1。

元素周期表中的每个原子都带有一个数字，叫作原子序数。该数字代表原子中的质子数，（通常来说）也是原子中的电子数。氢的原子序数是1，氦的原子序数是2，碳是6，氧是8，而铀是92。

分子包括单原子分子和组合在一起的原子。水分子写作H2O，说明它是由两个氢原子（也就是H2）以及一个氧原子（也就是O）组成的。氦分子只含有一个原子（He），氢气分子只含有两个连在一起的氢原子（H2）；但是分子可以很大。DNA这种分子携带着我们的遗传信息，其中可以容纳几十亿个原子。[2]当分子破裂或组合时，它们就发生了化学反应。

任何材料中的分子都在不停地振动。振动越剧烈，材料就越热。当你把手放在一起揉搓时，你使手内部的分子振动得更快了。有多快？答案令人震惊：这种振动的速度常常接近声速，约为760英里/时，或340米/秒。真够快的。但是这些粒子（至少在固体中）不会跑得很远。它们会撞上自己的邻居再弹回来。它们移动得的确很快，但是像环形跑道上的跑步者一样，总体来看它们的位置并没有改变。

普通的显微镜无法观察到像原子那样小的物质。典型原子的直径约为10-8厘米=10-4微米[3]。如果你沿着一根人类头发的切面直径（通常为25微米）从一头走到另一头，你将会遇到125000个原子。一个红血球的直径（8微米）上可以并排放40000个原子。有一些分子非常大（比如DNA），足以被显微镜观察到，但是这种分子中的单个原子，还是无法被人分辨出来。

虽然你看不到原子，但是你可以看到它们的振动对微小而可见的粒子造成的影响。在显微镜下，你可以看到小块浮尘（直径1微米）在自由移动。这种现象被称为布朗运动。[4]会出现这种现象，是因为浮尘的分子被包围在其周围的空气分子撞击。如果灰尘足够小的话，这种撞击最终不会达到平衡。

声速和光速

分子的速度和声速极其相近，这是巧合吗？不是——声音在空气中的传播就是通过分子彼此之间的撞击完成的。所以声速是由分子运动的速度决定的。声音在气体中的传播速度不会比气体分子更快。[5]

你很容易就能测量声速。有一种方法是看人打高尔夫球、劈柴或者打棒球。发现了吗？你先看到事件发生，然后才听到声音。这是因为，光会以非常快的速度先到达你这里，然后声音才会到达。估计一下你和发出声音的人之间的距离，再估算一下声音到达你那里用了多长时间。如果距离是1000英尺，那么大致的延迟就是1秒。（如果你在棒球比赛中做这个试验，你可以尽量坐到离本垒板更远的地方。）速度就是当时的距离除以时间。

当我还小的时候，很怕打雷闪电，我的父母教给我一个能知道声和光从多远的地方传来的方法。他们说，两次闪电和雷声之间的时间间隔每多5秒，闪电的位置就会远1英里。如果间隔是10秒，那么雷击就在2英里远的地方。对那时候的我来说，1英里简直就是无限远，于是我就放心了。这条法则之所以奏效，就是因为光传播得太快了，在远不到1秒的时间里就能穿越1英里。换句话说，光几乎即刻就到达了。但是雷声既然是声音，就必须以较慢的声速来传播：340米/秒，你可以略记为每5秒1英里。

了解声速，会在测量距离上对我们有很大帮助。2003年，我在一艘小邮轮上，远处有一座冰山，一些大冰块正从上面掉到水中。我测量了一下，声音需要12.5秒才到达我这里。由此我得知冰山边缘距离我2.5英里（每5秒1英里）。在测量之前，我还以为这个距离要近得多，冰山那巨大的体积误导了我。

光速则要比这快得多：186000英里/秒，或者3×108米/秒。虽然这听起来超快，但是我们有办法用一种听起来慢得多的方式来表示光速。现代计算机只需要约十亿分之一秒（1纳秒或1ns）的时间就能完成一次计算。（很多计算机可以更快，但是你应该知道一般计算机就需要约1纳秒。）在那十亿分之一秒的时间里，光只能传播约1英尺（30厘米）。这就是为什么计算机尺寸必须很小。计算机必须通过检索信息来完成计算，如果信息太远，就要花几个时钟周期（cycle）[6]才能获得。[7]假设计算机的频率是3GHz，那么光在1时钟周期中只能走4英寸。

记住：在1时钟周期（1ns）中光速能传播约1英尺。

热蕴含的巨大能量

组成本书的大部分分子的速度都是声速，但是这些分子的移动方向却是随机的。假设我让所有分子都朝一个方向移动。那么本书就会以声速（760英里/时）移动，但是能量总和不会变化。

这个例子说明普通物体的热中蕴含着巨大的能量。遗憾的是，通常我们没有办法把这些能量提取出来做有用功。在后面关于热机的章节中，我们将对此做进一步讨论。我们没什么好办法能改变振动的方向，让所有分子一起移动。但是我们却可以反其道而行之。当小行星在6500万年前撞击地球时，它的所有分子最开始都是以30千米/秒的速度朝着相同方向运动的。在撞击发生之后，分子的移动方向都变得不同了。

当动能转变成热时，我们可以将这个过程视为连贯而规律的运动转变成随机运动。分子能量从最开始的“整齐有序”（所有分子沿着相同方向移动）变为“无序”。“无序”这个词在物理中很常用。无序的程度可以被量化，而这个值被命名为熵（entropy）。当一个物体受热时，它的熵（分子运动的随机性）就增加了。在本章的末尾我会更深入地讨论熵。

嘶嘶声和雪花：电子噪声

收音机在换台时经常会发出滋滋声。这种声音是从哪儿来的？当频道没有内容播放时，老式电视机屏幕上会显示很像雪花的跳动白点。这种雪花是什么？

答案出人意料，雪花和嘶嘶声都是同一种东西造成的：在你的电子设备里上窜下跳的电子。热使得这些电子持续运动，当没有其他信号时，你就能看到（或听到）它们移动了。虽然它们不是分子，但是也有振动的能量。

降低温度可以减少这样的噪声，而高灵敏电子设备需要经过冷却才能降低嘶嘶声和雪花。在第9章中，我将会介绍一种在极低亮度下用于观察的设备，它就附带有这样一个冷却系统。但是冷却过度会让设备停止工作，因为晶体管工作时需要借助电子在室温下拥有的动能。没有这种动能，电子就被困住了，而电流就无法流动。如果你把一个晶体管冷却下来，去掉其中的能量，晶体管就不再工作了。

现在，我们已经把热描述成了分子（有时也是电子）的动能，接下来我们就可以开始研究一个更棘手的问题：温度是什么？