能源是人类文明进步的物质基础和内在动力。在本世纪，如何解决社会发展日益增长的能源需求和资源稀缺的矛盾，同时解决气候变化对人类生存的严重影响，将是全人类共同面临的重大挑战！
《能源物理学》系统全面地阐述了能量来源、能源利用及能源系统的科学原理，剖析了能量从其来源诸如太阳能、核能、风能、水能和化石燃料等经由热机、发电机等设备的转化，到最终应用于工业、交通、供暖、制冷及其他领域的全过程。书中还以科学视角呈现了以下内容：能量在地球大气与海洋中的流动、能源系统的相关问题（包括储能、电网、能效与节能）、核能所伴随的辐射及化石燃料使用引发的气候变化等主题。
本书以精准且易于理解的方式揭示和呈现能源系统背后的科学，同时提供了许多真实案例帮助读者理解和应用这些知识。本书不仅适合初学者，也是经验丰富的研究人员用于更新、深化或拓宽知识和理解的宝贵参考。

未来可以用哪些能源来驱动人类活动？这些能源如何被利用，它们的优缺点是什么？在更基本的层面上，能源究竟是什么？为什么某些能量形式比其他形式更有用？《能源的物理学》通过全面、统一且系统地介绍支配能量来源、用途和系统的科学原理，来解答这些问题乃至更多其他问题。这本权威教科书将使得读者能够：
理解各类能源的基本物理原理，包括核能、太阳能、风能、地热能和水力发电，以及生物燃料和化石燃料。
探究能量通过地球内部、海洋和大气到人类最终用途的流动过程，以及相关问题，如能源储存、电网、气候影响、效率和节能。
学会有效估算可用资源以及各种能源的开采和转换效率。
运用源自多种物理理论及实际科学与工程工具的的定量方法分析能源系统。
本书将成为具备一定数学和科学背景，并且有兴趣从定量角度理解能源系统及相关问题的学生、科学家、工程师、能源行业专业人士或其他感兴趣人士的必备资料。其综合行与模块化相结合的形式，使其成为各类能源科学课程的理想教材。

本书为有兴趣了解能源系统的读者提供全面的介绍，旨在帮助读者理解从来源到最终应用的能源过程中所涉及的基本科学原理。
来源和应用
自2008年以来，我们在麻省理工学院(MIT)开发并讲授了一门为期一学期的课程，其标题就是能源物理学。该课程是MIT关于能源的一个新课程体系中的导论，面向已完成大一微积分、一年物理(含微积分)和一学期大学化学的学生。虽然这门课特别适合主修硬科学或工程的学生，但许多选修这门课程的学生主要对经济学和政策感兴趣。在MIT,本课程也是物理专业学生的选修课，将正式课程中发展的概念整合到更广泛的背景下，并应用于现实世界中的问题。
由于没有找到与课程深度及教学理念相匹配的现成教材，我们2007年开始为能源物理学课程编写讲义。在写作该书的过程中，这些讲义的内容在广度和深度上逐步扩展，最终形成了本书，并发展出自身的内在逻辑结构。由于选修该课程的学生背景多元，我们并未预设学生需要具备深厚的物理基础。本课程和本书的目标，是帮助学生从大一基础物理背景出发，形成对所有能源系统背后的物理原理的定性和定量理解，以及理解这些概念如何相互联系并与实际能源系统相关联。
本书有多种用法。它可以作为理工科本科生一学期课程的教科书，也可以作为物理学本科生的顶点课程(capstone course)用书；这两类学生群体正是MIT开设本课程的主要受众。使用本书的课程也可以根据教学目标聚焦不同的内容模块；例如，可以侧重于能源的基础物理学、与气候和21世纪能源选择最相关的内容，或者是可再生能源等。下面提供了一学期课程授课的一些具体框架。当我们在MIT以本书内容开设一学期课程时，每节课大约要讲授一章，这需要相当快的节奏，而且许多内容不能达到书中的深度。如果讲授得更细致深入的话，本书也可以作为能源科学两学期高阶课程的教材，例如与能源研究方向的研究生项目相结合。这本书也写得自成体系，适合自学。任何对能源有浓厚兴趣，并具有基础数学和物理背景的人都应该能理解本书的大部分内容。
对于那些在科学、工程、经济或政策等能源相关领域工作的人，需要了解超出自己专业领域的科学基础，我们希望《能源物理学》也能成为这类人的案头参考书。
范围和焦点
以可持续方式为世界提供能源是21世纪的一项重大挑战。经济考量和政策决定将是应对这一能源挑战的任何全球性努力的核心。然而，对于个人、组织和国家来说，要在能源政策方面做出理性选择，对能源科学的清晰理解至关重要。在缺乏良好科学理解的情况下做出的决定，有可能浪费大量的精力和金钱，并对无数生命和大型生态系统产生不利影响。
本书旨在深入介绍能源系统，从基本的物理原理到真实系统中产生的后果。本书的目标是清晰地描述什么是能量以及它是如何通过地球系统流动的(第二部分)、人类如何使用能量(第一部分),以及能源系统如何从自然资源中获取能量以供终端使用(第三部分)。在上述每个部分，我们的目标都是建立对基础科学的基本理解，形成各部分如何组合成有机整体的全局图景，并培养定量评估能源系统的技术理解能力。
关于能源问题的入门教科书通常将科学、经济学和政策结合起来，目的是对该主题进行统一的介绍。然而，在本书中，我们只关注能源和能源系统的科学，而不涉及经济和政治问题。这并不是因为我们认为经济学和政策不重要，而是因为我们相信，在不依赖经济和政治背景的情况下，科学能够得到最好的传达。在许多其他书和一般能源学课程体系中，能源研究的经济和政治方面都有很好的介绍。我们的目标是提供对能源系统的科学理解，这是在经济和政治领域对能源选项进行任何理性讨论的先决条件。
正如标题所示，我们看待能源及其使用的出发点主要是通过物理学的视角。这本书的次要目标确实是要说明，能量概念如何将几乎所有的现代物理学统一到连贯的概念框架中。然而，如果不将讨论范围扩大到传统上被认为是化学、生物学、地球科学和诸多工程领域的范畴，就不可能对能源科学和系统进行全面的概述。事实上，能源科学是一个很好的例子，在这个学科中传统的学术界限在几乎所有应用中都变得模糊。为了避免局限我们的视角并因而降低本书的实用性，我们选择包含了大量通常不被视为物理学的素材。与其他科学领域的交叉在物质中的能量、化石燃料、地热能、能源和气候以及生物能的章节中尤为重要，而关于发动机、热提取装置、核反应堆、风力机和光伏太阳能电池的章节则包含了一些通常会在工程课程中出现的资料。其他一些主题，如生物燃料和燃料电池，处于本书概念框架的边缘，也处于我们自身专业知识的极限，因此只做了有限的讨论。然而，我们对地球科学的某些方面进行了更广泛的讨论，因为它与当前和未来的气候问题紧密相关，这个话题对未来人类能源使用的走向至关重要。
在整本书中，我们努力强调支配不同能量系统的物理原理。特别是，我们以足够的技术细节推导了量子力学、热力学、流体力学、海洋和大气物理学，以及其他基础物理框架的基本思想，从而读者可以定量和定性地理解它们在各种能源系统中的应用。我们还致力于尽可能从第一性原理出发，以相对简单的术语解释现象，并在整本书中始终保持入门级的深度。对任一特定主题感兴趣的读者都可以从本书对基本原理的处理中获得一些初步的理解，并了解该主题如何与能源框架的其他部分联系起来，但他们必须去其他地方找到对该主题的更高级、更详细的讨论。我们试图提供一些参考文献，以引导感兴趣的读者进一步了解任何特定的主题。
面对如此广泛的内容，一种可能的方式是邀请其他作者，即那些在我们自身专业领域以外的专家，来撰写这些内容。相反，我们选择了尝试深入地自学，然后写作整本书的内容。这种方法的优点是，本书的层次和风格更加连贯和统一，教学过程更加有序，能源科学的统一性更加明显。当然，缺点是我们写了大量不是我们专业领域的内容。我们得到了许多同事的帮助，他们帮助我们掌握各领域的微妙之处，纠正了我们的许多误解。在此过程中，我们更加深刻地认识到了工程和物理科学许多领域的基本范式所蕴含的智慧，并认识到基础物理学在这些范式中所起的作用。
预备知识
正如一开始提到的，我们预设读者在其学习生涯中修读过大学水平的两学期微积分课程或具备同等学力。我们还预设读者已经掌握了概率论的基本概念。附录B中回顾了大一微积分课程的一些更高级领域，如初等矢量微积分、微分算子、线积分和面积分，以及级数展开，还包括复数的基本概念。我们尽量避开最基本形式以外的其他微分方程。某些章节中用到线性矢量空间、傅里叶级数和张量分析的一些简单方面，因此在附录B中有简要总结。
我们还预设读者已经从微积分的角度接触过力学和电动力学，并且学习了一些化学入门知识。考虑到一些读者可能是很久以前学习的物理学导论，而且并非所有的物理课程都涵盖了相同的教学大纲，我们在本书前面的力学、电磁学、热学、传热和化学反应几章讨论与能量相关的应用时，加入了自成体系的基础知识回顾。
我们并未预设读者以前接触过量子力学、流体力学，或熵的概念。
结构与大纲
本书分为3个部分，分别探讨能源的应用、来源和系统。第一部分具有双重作用，介绍了整本书中使用的许多基本物理原理。在这个整体框架内，本书的结构有点像一棵树；前10章构成了支撑剩余内容的树干。随后的许多章节都朝着不同的方向发展，在各个章节中，能源技术的专门主题和示例构成了这棵树的枝叶。每章开头的读者指南中都指出了本章对前几章的依赖关系。这赋予了本书较为模块化的结构，使读者和教师可以根据兴趣选择不同的学习路径与内容序列。
在简介(见1)之后，第一部分：基础能源物理与应用描述了机械能(见2)、电磁能(见3、4)和热能(见5、6)的用途，根据需要回顾和介绍这些学科的概念。为了更进一步，有必要介绍量子力学的基本概念(见7),并深入解释熵和热力学的概念(见8)。这些章节旨在为没有接触过这些主题的学生提供完整的介绍。对这些主题有一定了解的读者可能也会发现这些章节是有用的回顾。有了这些概念，我们描述化学过程中的能量流动(见9),以及发动机和热提取装置中的功和热能的相互转换(见1013)。尽管本书通篇使用了热力学第二定律和能量量子化等基本概念，但我们认识到这些理论在概念上是较难理解的。我们已尽力将本书编排得当，即使读者对7和8仅作泛读，只要愿意接受其中概念作为已知事实，也能理解并运用书中几乎全部内容。
第二部分：能源，侧重于一次能源。最多的部分用于介绍核能(见1619)、太阳能(见
2225)和风能(见2830)。第二部分以一段插曲(见14)开始，其中描述了支配所有已知自然过程的4种力，并仔细研究了量子力学的一些方面(见15),如隧穿效应，这是理解核能和太阳能所必需的。在研究核能之后，介绍了电离辐射的本质和效应(见20)。
在深入研究太阳能之前，我们先从最基本的角度来思考能量的本质及其在我们宇宙中的作用(见21)。第二部分的许多内容都致力于追踪太阳能如何流入其他可提供能量的自然系统。太阳能(见2225)是储存在生物系统(见26)中并驱动海洋(见27)和大气(见28)环流的主要能源。在介绍流体动力学的基本概念(见29)后，我们描述风力机对风能的收集(见30),以及从河流、波浪、洋流和潮汐中利用水力(见31)。然后，我们回顾地球的内部结构和地热能的起源(见32)。第二部分的最后(见33)介绍煤炭、石油和天然气这几种主要化石燃料的性质、分布、特征和用途。
在第三部分：能源系统问题和外部因素中，我们转向与能源系统相关的一些复杂问题。首先，我们描述地球表面能量流动的变化如何影响我们的气候(见34)、历史上气候变化的证据，以及未来气候变化的前景(见35)。接下来，我们转向对能源效率的定量讨论、一些节能案例研究、可能取代化石燃料的替代能源的概述，以及能源系统在未来几个世纪可能如何演变(见36)。然后，我们转向储能(见37),在最后一章(见38)中，我们分析电能的生产和传输，以及电网的结构。
除了数学附录外，其他附录还包括本书中使用的符号列表(见附录A),以及单位、转换因子和基本常数表(见附录C)。附录D总结了包括全球及美国的能源和二氧化碳信息在内的各种数据。
每一章(简介除外)都以读者指南开头来预览本章内容，以便读者决定将精力集中在哪里。在每一章中，关键概念框都在要点出现之处提供了简练的总结。关键概念框不仅为细心的读者确定了要点，还为想要快速了解该章节的读者提供了本章的概览。在每一章中，我们都通过例来展示计算或分析的例子，并在框中给出了一些进一步解释或者专门内容。
讨论和习题
我们在每章末尾都包含了讨论和习题,其中许多都是在MIT讲授这门课中开发的。这些讨论问题可能适合与课程相关的讨论小组或复习课，也可作为学期论文的主题。习题有多种用途：一些填补了正文中未提及的细节，一些旨在加深理论理解，还有许多习题可以作为正文中所介绍理论的应用。这些习题可用于课后作业、考查或自学。我们使用标签来表明一些习题的性质：【T】是更偏向理论(theoretical)的问题；【H】是更具挑战性的难(hard)题；【C】是少数需要大量解析或数值计算(computation)的问题。有些问题要用到某些系统的数据，虽然书中没有提供但在网络上容易查到。授课教师可以联系我们获取习题答案。
学习本书的途径
《能源物理学》的灵活和模块化结构使其可以有很多种使用方式。除了按顺序学习，对能源科学特定领域感兴趣的读者，可以在读者指南所指出的依赖关系的指导下，直接阅读本书中的某一章或几章。如果教师想自己构建出一门课程，也可以根据学生的背景和兴趣来选择各种讲授途径。有兴趣全面了解能源科学和系统的读者可以按顺序阅读这本书，快速浏览前面已经熟知的基础章节，然后根据对技术方面的兴趣，或深或浅地阅读后续内容，并将注意力集中在特别感兴趣的章节上。对于能源研究、政策或商业领域的工作者来说，这本书可以用来了解其他能源相关领域的基本概念。例如，32(地热能)对地热能的起源、提取和前景进行了比较完整的总结，38(发电与输电)介绍了电网的基本原理。本书的大部分章节对能源科学的主要领域进行了全面、完整的论述。22(太阳能)至25(光伏)和14(自然界的力)至20(辐射)为具有量子物理和热学基本知识的科学家和工程师提供了太阳能和核能物理学的介绍。
这本书的模块化结构使得一些章节可以组合在一起，形成一门关于能源研究中某一专题的课程。例如，主要对电气工程感兴趣的教师或读者会发现
3(电磁学)4(波和光)7(量子力学)21(宇宙中的能量)22(太阳能)23(太阳辐射)24(太阳热能)25(光伏)
36(能源系统)
37(储能),以及
38(发电与输电)
形成一个相对独立的序列，聚焦电磁物理学在能源中的应用。
同样，主要对地球科学感兴趣的读者可选用
5(热能)
6(热传递)
8(熵与温度)
22(太阳能)
23(太阳辐射)
27(海洋能)
28(风能)
31(流水能)
32(地热能)
33(化石燃料)
34(能源和气候)
35(气候变化)
这些章节以地球科学为重点介绍能源物理学。另外，也可以构建出以核工程、机械工程、化学工程，或环境工程为侧重点的分支课程。
本书也可以用来介绍新的物理概念以及相关的系统和用途。这样的课程可以从复习力学(见2、4)开始，然后是风能和水能(见27、28、29、30和31),这些章节只需要基本力学作为预备知识。接下来，在介绍了基本的热学和量子物理(见58)之后，重点将转移到化学能(见9)、发动机和热传递(见1013)、地热能和化石燃料(见32、33)、气候(见34、35),以及能效和节能(见36)。根据可用时间及教师和学生的兴趣，课程重点可以转向电磁能和太阳能(见3、2125和38)或核能和辐射(见1420),亦可两者兼顾。
如果作为物理专业的顶点课程,则可以快速复习17,侧重能源应用部分，然后更深入地研究核能、太阳能、风能及气候相关章节，并根据教师和学生的兴趣添加其他章节。
如果作为一门面向对经济和政策有更大兴趣学生的非专业课程，则可以跳过第一部分中技术性较强的内容，重点在第二部分讲解每种能源的基本概念和总体概况，如16、23、28及关于其他能源章节中的概述部分。该课程随后可以涵盖第三部分关于气候和系统问题的大部分内容，并根据需要参考本书前文的理论基础。
单位制
在本书中，我们使用1中介绍的国际单位制(SI制)。能源研究的每个专业领域都有自己的常用单位，可能是十亿桶油当量，或是ft²·F·hr/BTU(美国使用的热阻单位),抑或是一长串其他单位。通常，这些单位的逐渐出现是为了加强特定能源领域内的沟通效率。然而，在一本要对能源科学进行统一概述的书中，采用统一单位制具有很大的优点。熟悉统一的通用单位制也有利于促进不同学科专家之间的沟通。为了与我们强调的学科交叉性保持一致，除了极少数例外情况，我们坚持使用SI制。附录C中给出了从许多常用单位到SI制的转换表。
延伸阅读
大量其他书涵盖了能源科学和相关问题的各个方面。对于本书各章中涉及的具体主题，我们为有兴趣深入研究的读者提供了少量参考文献。部分通用参考文献以与本书兼容的技术视角涵盖了各种能源科学问题，其中一些对我们自身学习这些课题也大有裨益，包括[1,2]。MacKay在[3]中对能源问题进行了很好的介绍，它的技术难度远低于本书。如需进一步阅读与政策和经济相关的能源问题，MIT的教材[4]以及Smil的许多优秀书籍，如[5],都是一个很好的起点。Vanek、Albright和Angenent的教材[6]从工程的角度探讨了能源问题，Andrews和Jelley的教材[7]则从物理学家的角度提供了对能源科学的另一种解读方式。最后，由于无数匿名人士的努力，维基百科可能是研究某一能源系统和技术具体细节的最佳起点。特别是，就本书中的大多数主题而言，维基百科提供了优质的延伸阅读参考资料。

罗伯特·贾菲（Robert L. Jaffe），美国艺术与科学院院士，麻省理工学院物理系Morningstar讲席教授，曾任麻省理工学院理论物理中心主任。因在质子及其他强相互作用粒子的夸克结构、奇异物态及真空的量子结构方面的研究而闻名。曾获著名的MacVicar教授奖等荣誉。
华盛顿·泰勒（Washington Taylor），麻省理工学院物理学教授、理论物理中心主任。专注于研究粒子物理学和引力的基本理论问题。在弦理论的基础方面做出重要贡献，包括揭示了弦理论与低能场论及可观测物理的约束之间的联系，以及建立了其与数学新发现之间的关联。曾获斯隆研究奖、美国能源部杰出青年研究员奖、麻省理工学院Buechner教学卓越奖等荣誉。
薛加民，上海科技大学物质科学与技术学院博士生导师。主要从事扫描探针显微镜技术的开发与应用研究，在国际学术期刊发表研究论文40余篇。著有科普读物《我们都是科学家》，该书入选全国优秀科普作品。
米启兮，上海科技大学物质科学与技术学院助理院长。主要从事太阳能利用、光电转换半导体材料与器件方面的研究，在国际学术期刊发表研究论文60余篇。参与完成2022年上海市高等教育教学成果特等奖项目。

上册
第一部分 基础能源物理与应用
第１章 简介 ３
１．１ 单位和能量计量 ５
１．２ 能源的种类 ６
１．３ 能量的规模 ９
第２章 机械能 １１
２．１ 动能 １２
２．２ 势能 １３
２．３ 空气阻力和摩擦 ２０
２．４ 转动力学 ２３
第３章 电磁能 ２８
３．１ 静电、电容器和储能 ３０
３．２ 电流、电阻、电阻能量损耗 ３６
３．３ 磁性 ４３
３．４ 电动机和发电机 ４７
３．５ 电磁感应和电感器 ５０
３．６ 麦克斯韦方程组 ５４
第４章 波和光 ５８
４．１ 波和波动方程 ５８
４．２ 弦上的波 ６０
４．３ 电磁波 ６４
４．４ 电场与磁场中的能量和动量 ６５
４．５ 波与波动方程的普遍特征 ６６
第５章 热力学Ⅰ：热和热能 ７２
５．１ 什么是热？ ７３
５．２ 压强与功 ７７
５．３ 热力学第一定律 ８０
５．４ 热容 ８１
５．５ 焓 ８５
５．６ 相变 ８６
第６章 热传递 ９２
６．１ 传热机制 ９２
６．２ 热传导 ９４
６．３ 对流和辐射传热 １０１
６．４ 防止建筑物散热 １０４
６．５ 热导方程 １０７
第７章 量子物理导论 １１４
７．１ 缘起：双缝干涉实验 １１５
７．２ 量子波函数与薛定谔波动方程 １２０
７．３ 能量和量子态 １２４
７．４ 量子叠加 １２７
７．５ 量子测量 １２８
７．６ 时间演化 １３３
７．７ 自由粒子的量子力学 １３４
７．８ 势场中的粒子 １３７
第８章 热力学Ⅱ：熵与温度 １４５
８．１ 熵和热力学第二定律简介 １４５
８．２ 信息熵 １４７
８．３ 热力学熵 １５０
８．４ 热平衡和温度 １５１
８．５ 效率极限 １５８
８．６ 玻尔兹曼分布 １６０
８．７ 配分函数和简单热力学系统 １６２
８．８ 自发过程和自由能 １６７
第９章 物质中的能量 １７３
９．１ 能量、温度和电磁辐射频谱 １７４
９．２ 物质内能概览Ⅰ：从冰到水蒸气 １７５
９．３ 物质内能概览Ⅱ：分子振动、离解和结合能 １７８
９．４ 化学反应中的内能、焓和自由能 １８４
９．５ 化学热力学：示例 １８８
第１０章 热能转换 １９４
１０．１ 热力学变量、理想化处理和表示方法 １９５
１０．２ 气体热机中的热力学过程 １９８
１０．３ 卡诺热机 ２０２
１０．４ 斯特林热机 ２０５
１０．５ 实际热机效率的局限 ２０９
１０．６ 热提取装置：冰箱和热泵 ２１０
第１１章 内燃机 ２１５
１１．１ 点燃式发动机和奥托循环 ２１６
１１．２ 燃烧和燃料 ２２１
１１．３ 实际的点燃式发动机 ２２５
１１．４ 其他内燃循环 ２２７
第１２章 相变能量转换 ２３２
１２．１ 能量转换循环中相变的优势 ２３３
１２．２ 纯物质的相变 ２３６
１２．３ 真实世界：工程术语和实用计算 ２４３
第１３章 火力发电和热提取循环 ２４９
１３．１ 流体的热力学 ２５０
１３．２ 热提取和蒸气压缩循环 ２５２
１３．３ 兰金蒸汽循环 ２６０
１３．４ 低温有机兰金系统 ２６８
１３．５ 燃气轮机与联合循环 ２６９
第二部分 能 源
第１４章 自然界的力 ２７９
１４．１ 力、能量和距离的标度 ２８１
１４．２ 基本粒子 ２８５
１４．３ 弱相互作用和衰变 ２９１
第１５章 能源体系中的量子过程 ２９６
１５．１ 衰变和其他含时量子过程 ２９７
１５．２ 隧穿的起源 ２９７
１５．３ 势垒穿透 ３００
１５．４ 隧穿寿命 ３０２
１５．５ 泡利不相容原理 ３０５
第１６章 核能概述 ３０９
１６．１ 概述 ３１０
１６．２ 核裂变燃料资源 ３１２
１６．３ 后续章节 ３１５
第１７章 原子核的结构、性质与衰变 ３１７
１７．１ 原子核的基本特性 ３１８
１７．２ 半经验质量公式 ３２２
１７．３ 原子核结合的系统分类 ３２７
１７．４ 核衰变 ３３２
第１８章 核能过程：核裂变与核聚变 ３４３
１８．１ 核裂变和核聚变的比较 ３４３
１８．２ 截面 ３４５
１８．３ 核裂变物理 ３４６
１８．４ 核聚变物理 ３５６
第１９章 核裂变反应堆和核聚变实验 ３６３
１９．１ 裂变反应堆动力学 ３６４
１９．２ 影响裂变反应堆运行和安全的物理问题 ３７４
１９．３ 增殖裂变反应堆 ３７７
１９．４ 裂变反应堆设计：过去、现在和未来 ３７９
１９．５ 核反应堆动力循环 ３８４
１９．６ 热核聚变实验 ３８５

下册
第二部分 能 源
第２０章 电离辐射 ３９５
２０．１ 电离辐射的形式：概述 ３９６
２０．２ 辐射与物质的相互作用 ３９８
２０．３ 辐射测量 ４０４
２０．４ 辐射的生物学影响 ４０７
２０．５ 人类环境中的辐射 ４１３
２０．６ 核废料和核扩散 ４１９
第２１章 宇宙中的能量 ４２８
２１．１ 什么是能量？ ４２８
２１．２ 宇宙能量简史 ４４０
第２２章 太阳能的产生与太阳辐射 ４４８
２２．１ 太阳能的原子核来源 ４４９
２２．２ 黑体辐射和太阳辐射 ４５１
２２．３ 黑体辐射公式的推导 ４５４
第２３章 太阳能：地球上的太阳辐射 ４５８
２３．１ 日照和太阳常数 ４５８
２３．２ 地球轨道 ４６０
２３．３ 日照变化 ４６０
２３．４ 光与物质的相互作用 ４６４
２３．５ 大气吸收 ４６６
２３．６ 资源储量 ４６８
第２４章 太阳热能 ４７２
２４．１ 太阳能吸收和辐射平衡 ４７３
２４．２ 低温太阳能集热器 ４７７
２４．３ 聚光器 ４７９
２４．４ 太阳能热发电 ４８５
第２５章 光伏太阳能电池 ４９１
２５．１ 固体物理相关概念的介绍 ４９１
２５．２ 晶格中的量子力学 ４９３
２５．３ 固体和半导体中的电子 ４９８
２５．４ 光伏的概念和收集效率的极限 ５００
２５．５ 硅的能带结构 ５０２
２５．６ ｐ ｎ结 ５０５
２５．７ ｐ ｎ结作为光电二极管 ５０８
２５．８ 硅太阳能电池 ５１３
２５．９ 先进太阳能电池 ５１４
２５．１０ 全球光伏使用 ５１８
第２６章 生物能 ５２１
２６．１ 能量和光合作用 ５２２
２６．２ 食物的能量 ５２６
２６．３ 生物质 ５２９
２６．４ 生物燃料 ５３１
２６．５ 生物能源的未来 ５３９
第２７章 海洋能量流动 ５４１
２７．１ 海洋能量的平衡和输送 ５４２
２７．２ 科里奥利力 ５４４
２７．３ 表层洋流 ５４６
２７．４ 大气环流 ５５０
２７．５ 海洋环流 ５５３
２７．６ 海洋热能资源与海洋热能转换 ５５５
第２８章 风能：极不稳定的资源 ５５８
２８．１ 风能的本质 ５６０
２８．２ 风力资源的特征 ５７１
２８．３ 风能的潜力 ５７８
第２９章 流体：基础知识 ５８３
２９．１ 定义流体的特性 ５８４
２９．２ 简化假设和守恒定律 ５８６
２９．３ 黏度 ５９１
２９．４ 升力 ５９５
第３０章 风力机 ６０５
３０．１ 轴向动量理论与贝茨极限 ６０６
３０．２ 风力机叶片和动力 ６１０
３０．３ 一些设计上的考虑 ６１７
第３１章 流水能：水力发电、波浪能、潮汐能和洋流能 ６２０
３１．１ 水力发电 ６２１
３１．２ 波浪能 ６２４
３１．３ 潮汐发电 ６３９
３１．４ 洋流能 ６４６
第３２章 地热能 ６５０
３２．１ 地球内部的热能 ６５１
３２．２ 地热能源 ６６１
３２．３ 地源热泵 ６６３
３２．４ 水热能 ６６４
３２．５ 增强型地热系统 ６７０
３２．６ 地热资源的规模 ６７２
第３３章 化石燃料 ６７５
３３．１ 煤炭 ６７７
３３．２ 石油 ６８７
３３．３ 天然气 ６９９
３３．４ 烃转化 ７０５
３３．５ 化石燃料总结 ７０６
第三部分 能源系统问题和外部效应
第３４章 能源与气候 ７１１
３４．１ 反照率和温室效应 ７１２
３４．２ 大气物理 ７１５
３４．３ 全球能量流 ７２４
３４．４ ＣＯ２和碳循环 ７２５
３４．５ 反馈与气候建模 ７３１
第３５章 地球的气候：过去、现在和未来 ７３９
３５．１ 历史气候 ７３９
３５．２ 预测未来气候 ７５４
３５．３ 气候变化的影响 ７５９
３５．４ 缓解和适应 ７６６
第３６章 能效、节能以及变革中的能源 ７７２
３６．１ 第一定律效率 ７７３
３６．２ 第二定律效率 ７７７
３６．３ 举例：空间供暖的效率 ７７８
３６．４ ! ７８０
３６．５ 增效与节能案例研究 ７８７
３６．６ 能源系统：规模和变革 ７９６
第３７章 储能 ８０７
３７．１ 储能的性能指标 ８０８
３７．２ 电网级储能 ８０９
３７．３ 移动储能 ８１５
３７．４ 其他储能系统 ８２５
第３８章 发电与输电 ８３３
３８．１ 电网概述 ８３３
３８．２ ＬＲＣ电路 ８３６
３８．３ 电网规模的发电 ８４０
３８．４ 电力的传输和分配 ８４７
３８．５ 可再生能源：波动的分布式能源 ８５６
附录犃 符号 ８６４
附录犅 部分数学基础 ８６７
附录犆 单位和基本常数 ８７７
附录犇 数据 ８７９
参考文献 ８８１
索引 ８９０
译后记 ９０４