前言

​热力学研究能量的转换并预测这些能量转化的方向。理解地球上的许多物理、化学或生物过程都需要热力学。它在研究大气圈（如气温递减率、焚风、环流）、水圈（如潜热与显热、冻结点和沸点的压力依赖性）、岩石圈（如地温梯度、矿物稳定性）和生物圈（如氧化还原分层、生物地球化学循环的演化）等地球圈层中具有重要意义。

热力学基于两条主要的定律。热力学第一定律涉及能量守恒，而热力学第二定律表明能量会逐渐分散。无论是在语言表达上还是在数学公式上，这两条热力学基本定律都算得上是通用又简单，但它们的应用可能颇具挑战性。引用费曼《物理学讲义》中的观点（Feynman et al., 1963）：“热力学在实际应用时相当困难且复杂，本课程不适合深入讨论其应用……热力学之所以复杂，是因为描述同一事物的方法有太多种。”对本科生来说，学习热力学也颇有难度，因为有些学生倾向于通过严谨的微积分推导来理解，而另一些学生则更倾向于借助日常实例并减少数学知识的运用来掌握热力学基本原理。

这本关于热力学和平衡的导论是为乌得勒支大学地球（系统）科学学生开设的第一学年化学课程的一部分，旨在为更高年级的物理化学、矿物学和岩石学课程打下基础，同时提供与大气科学、海洋科学、气候学和环境科学相关的基本概念。除了不可避免的部分，本书尽量减少了数学内容，并尽量简化语言以提高文本的可读性。这篇导论仅涉及理想的平衡系统，忽略了焓、熵和比热容在非恒温、非恒压下的情况，也未严格定义系统变化的可逆性、不可逆性或路径。这些在科学严谨性和全面性上的简化，希望通过其后学生进一步学习把热力学运用到地球系统科学的过程中得到裨补。

这本简明易懂的导论写于2023年5月作者在阿登地区的一次为期一个月的工作假期中，目的是为2024年春季学期修订一门新的课程。感谢Jeannot Trampert与Lubos Polerecky对初稿的评论与反馈，感谢助教Chris Bil和Thomas Sanders对第二稿的检查，以及Ton Markus对图表质量的改进。

Jack J. Middelburg

于荷兰乌得勒支大学地球科学系