关于“热力学第二定律与熵”的教学探讨.docx

关于“热力学第二定律与爛”的教学探讨 物理与工程 Vol.l2No.3200259 关于”热力学第二定律与爛”的教学探讨 胡亚联 （武汉化工学院物理与热能工程系，武汉430073） （收稿日期:2002-0] _23） 摘要本文针对普通工科院校一年级以及文科学生的特点和有限学时如何进行热 力学第二定律与 爛的教学进行了一些探讨. 关键词宏观与微观;可逆与不可逆;有序与无序;热力学概率;嫡 在普通工科院校的《大学物理》教学中，热力学 第二定律与爛都讲得很少，几乎是一带而过,但是从 历史到前沿，从物理学到化学，环境与生命科学，信 息科学和技术，到人文科学，哲学和美学，随着科技 进步发展的时代潮流，人文科学思想改造的需要，热 力学第二定律与嫡儿乎主导着各个领域以及人对自 然，世界的认识，成为人们的一种新的世界观，一种 新的方法论?热力学定律几乎为世界上的一切物质 活动的开展提供了整体的科学框架.人类以热机发 展为主导的第一次工业革命是能量的革命，当前以 信息技术为主导的第二次工业革命可以说是嫡的革 命?随着我国加入wTO,加入国际竞争的大环境，怎 样在有限的学时里，把这一起源于物理学中的19世 纪科学上最伟大的发现,口在21世纪的自然科学和 人文科学中都起主导作用的基木定律对工科一年级 以及文科的大学牛讲解很值得探讨?对这一部分学 生进行这方面的物理思想和方法论的教育，提高他 们的科学素养以适应新的要求是非常必要的. 讲授这一部分内容时，我觉得必须处理好数学 和物理的关系，既要有严格的数学推导，又要充分考 虑学牛有限的数学知识，更重要的是如何讲出这一 定律的内在的物理思想的精髓以及它所覆盖的层 而，对人们认识自己的物质生活和精神生活的指导 意义;同时如何能够让学生在有限的学时屮顺利接 受你所讲授的观点和它作为科学定律的定性和定量 的表示，宏观和微观的意义是教授这一部分内容时 难点所在，意识到这些问题后，我对关于”热力学第 二定律与爛”的教学作了以下的处理. I从微观和宏观上讲清热力学第二定律 的内容 从热力学第一定律不能回答的三个问题:(1)理 想气体的pv图上，等温线和绝热线不能有两个或两 个以上的交点;(2)热机的效率Hl;(3)制冷机的 制冷系数H.c)出发，告知学生满足热力学第一定律 的与热现象有关的能量守恒的热力学过程不一定都 能实现，因为它只指出各种形式的能量在相互转换 中必须遵守的守恒关系.而没有对进行的方向给岀 任何限制.过程能否实现述要受到热力学第二定律 的限制.热力学第二定律从宏观上是:揭示热力学过 程进行的方向，条件，限度;从微观上是:描述人量粒 子无序程度变化的规律?为了让学牛接受这些观点. 对学生比较熟悉的三个例子:(1)功热转换的方向 性;⑵热传导的方向性;(3)理想气体向真空的绝 热自由膨胀的方向性进行简明扼要，深入本质的分 析，要学生在一?接触这个问题吋就明白:孤立系统中 发牛的自然过程的方向,从宏观上来说，是一切其他 形式的能量（有序能量）可以自发地,10 ?? o地转变为 内能,而内能（无序能量）不能白发地,100地转变 为其他形式的能量，即一切与热现象有关的宏观过 程都是不可逆的;从微观上来说，孤立系统中的自然 过程总是沿着无序性f度）增大的方向进行?但微观 粒子的运动又都是可逆的.在这三个例子的基础上. 也很容易引伸到其他领域?让学生清楚热力学定律 所覆盖的领域是多么地广阔，它的思想对人类的各 种行为具有多么深刻的意义?从宏观与微观?可逆与 不可逆问题联想到”君不见高堂明镜悲白发?朝如青 丝暮成雪”诗人衰叹韶华如流，人生易老?这反映宏 观世界的生命运动和情感的不可逆性，但组成生命 中的各个原子，分子决不担心自己会老化，它们服从 的运动规律是可逆的，对宏观世界里发牛的一切漠 不关心?在阐述这些问题时要特别强调”有序与无 序丁可逆与不可逆分别是从对一切与热现象有 关的过程的微观和宏观的描述?并且对这些问题给 岀严格的定义?有了这些铺垫就可非常自然地给岀 热力学第二定律的两种典型的文字表述一开尔文 表述和克劳修斯表述?这两种表述的详尽解释中就 可定性回答热力学第一定律留下的三个问题?让学 生对不违反热力学第一定律的能量守恒的过程不一 60 物理与工程 Vol.l2No.32002 定就能发生有了感性和具体的认识，继而给岀热力 学第二定律的宏观实质是:”自然界中一切与热现象 有关的自发的实际宏观过程都是不可逆的，可以t 动从初态过渡到终态，反过来则不能自发进行一一 这说明系统的初态和终态存在某种木质的差别（为 后而引进态函数爛埋下伏笔）,且又是相互沟通的， 任何一个自发过程都可以作为热力学第二定律的描 述.在孤立系统中，这样的过程进行的方向，条件，限 度是:一切其他形式的能量可以自发地,100地转