132气体在真空中膨胀时的温度和热.PDF

132 气体在真空中膨胀时的温度和热 主题 在许多情况下，熵的性质与日常口语中热的性质相吻合。然而，在一个著名 的实验中，这两个概念出现不一致的情况。这就是气体在真空中膨胀的实验，又 叫焦耳-盖- 吕萨克膨胀实验 （Joule-Gay-Lussac expansion ）。 缺点 我们在向学生介绍熵可以作为日常口语中的热的量度时，有时会听到这样的 [1] 异议：在焦耳-盖- 吕萨克实验中熵在增加，但在这里没有“热产生” 。 对此，我们可以作几点讨论： 1. 物理量和它的名称之间的相关性或一致性并不总是很强的。例如，Q 这个 量，它的名称叫“热量”。如果告诉学生我们不能说物体中含有一定量的热，他 们是很难接受的。对于一个叫做“力”的量F ，其名称和物理意义之间的一致性 更差。 2. 在上面提到的情况中，这个物理量的名称和物理意义之间的一致性甚至更 不行，因为这个物理量S 的名称是熵。唯一的问题是：我们有必要提及日常口语 中热的概念和物理量熵的性质之间的一致性吗？事实上，它们之间的一致性比其 他物理量的更好。 我们来举力的例子。在实践中我们通常用我们的“肌肉感觉”来引入力。然 而，这种“肌肉感觉”与其说是力的性质，倒不如说是能流的性质。但是，没有 人会对此提出异议。 3. 我们再回到气体在真空中膨胀的例子。在热力学课程刚开始，我们不会讨 论这个实验。我们只是在讨论气体时会引入这个实验。我们会对这个实验作这样 的讨论：气体向真空膨胀。到达热平衡后，气体的温度跟膨胀前的几乎相同。我 们能断定气体的热含量（日常口语中的“热”）没有增加？初一看，好象是这样。 然而，当我们仅仅用温度来判断气体膨胀前后的熵含量（即日常口语中的热的含 量）时，我们要格外地小心，这是因为气体的体积发生了变化。我们将气体的体 积回复到初始时的大小，并且在这个过程中既不给气体输入熵也不向气体抽取 熵。这样做以后，我们发现气体比以前更热了，即其温度升高了。它必定含有更 多的熵（即日常口语中的热）。 1 历史 我们认为，熵反映了日常口语中热的性质这一观点被否认的原因与可能出现 的两个概念之间的差异无关。与此有关的原因倒好象是，有人担心发现不了熵的 复杂性（这是他们一生中一直认为的），拼命地在寻找能说明这个模型的局限性 的例子。 建议 在引入熵时，将它与日常口语中热的概念联系起来。这两个概念的一致性比 我们在中学里教的其他物理量与日常口语中相应概念的一致性要更强。 [1] M. Bartelmann, F. Bühler, S. Groβmann, W. Herzog, J. Hüfner, R. Lehn, R. Löhken, K. Meier, D. Meschede, P. Reineker, M. Tolan, J. Wambach and W. Weber: Expert opinion on the Karlsruhe Physics Course; Commissioned by the German Physical Society http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/kpk/Fragen-Kritik/KPK-DPG%20co ntroversy/Expert-opinion-english.pdf Friedrich Herrmann （陈敏华，2015 年11 月14 日译于浙江省绍兴市柯桥区碧水金柯） 2