熱力學(xué)第二定律的兩種教學(xué)思路比較

（中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原030051）

（中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原030051）

比較熱力學(xué)第二定律的兩種教學(xué)思路，發(fā)現(xiàn)針對(duì)問題逐步剖析的教學(xué)思路，一方面可以使得這部分內(nèi)容理解起來更深刻、接受起來更自然；同時(shí)也弱化了克勞修斯熵這一難點(diǎn)內(nèi)容的地位，更適合分層次教學(xué)［1-3］。

熱力學(xué)第二定律；教學(xué)思路；克勞修斯熵；分層次教學(xué)

一、概述

熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論。其中熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)就是能量守恒定律，比較容易理解和接受。但是熱力學(xué)第二定律是關(guān)于過程進(jìn)行的方向性的理論，無論是在力學(xué)、振動(dòng)與波、光學(xué)、電磁學(xué)以及近代物理都沒有涉及這一部分，因此學(xué)生理解起來非常困難。

二、兩種教學(xué)思路的比較

目前對(duì)于熱力學(xué)第二定律的這一部分內(nèi)容通常有兩種教學(xué)思路：一種是按照人們對(duì)熱力學(xué)第二定律的歷史認(rèn)識(shí)順序來編排的［4］；另一種是按照從現(xiàn)象到本質(zhì)層層剖析問題的思路來編排的［5］。下面就這兩種編排思路做一比較。

按照人們對(duì)熱力學(xué)第二定律的歷史認(rèn)識(shí)順序的教學(xué)思路，首先是提出熱力學(xué)第二定律的兩種表述——開爾文表述和克勞修斯表述，以及二者的等價(jià)性證明。但是開爾文表述和克勞修斯的表述畢竟差別太大，不僅如此還可以證明孤立系統(tǒng)中發(fā)生的各種表述不同的不可逆過程其方向性的本質(zhì)都是等價(jià)的。這樣就不由激發(fā)了學(xué)生對(duì)“熱力學(xué)第二定律本質(zhì)到底是什么？為什么孤立系統(tǒng)中發(fā)生的各種不可逆過程的本質(zhì)都是等價(jià)的？”疑問。

圖1

最后再次分析過程進(jìn)行方向性的微觀統(tǒng)計(jì)機(jī)理并引出了玻爾茲曼熵S=klnW，隨后舉例說明了，玻爾茲曼熵變實(shí)際上就是克勞修斯熵變，這樣熱力學(xué)第二定律和熵增加原理的本質(zhì)才最終弄清楚：孤立系統(tǒng)中發(fā)生的所有的不可逆過程都是向著熵增加的方向，即向著熱力學(xué)概率增加的方向進(jìn)行。

這樣的教學(xué)編排雖然遵循了歷史上人們對(duì)熱力學(xué)第二定律的認(rèn)識(shí)順序來進(jìn)行的。但是按照這樣的順序教學(xué)卻使得學(xué)生理解和接受起來頗為困難，尤其是對(duì)于層次較低的獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生更加如此，圖1是其流程圖。

按照從現(xiàn)象到本質(zhì)層層剖析問題的教學(xué)思路首先仍然是提出熱力學(xué)第二定律的兩種表述——開爾文表述和克勞修斯表述，以及二者的等價(jià)性證明。

然后針對(duì)“熱力學(xué)第二定律本質(zhì)到底是什么？為什么各種不可逆過程的本質(zhì)都等價(jià)？”的疑問。以理想氣體自由膨脹不可逆性為例，從微觀角度出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)方法揭示熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)——孤立系統(tǒng)中發(fā)生的所有不可逆過程都是向熱力學(xué)概率增加的方向進(jìn)行的。這樣使得學(xué)生們對(duì)熱力學(xué)第二定律理解和接受就變得非常容易了。

圖2

最后既然熵增加原理都清楚了，那么克勞修斯熵也就僅僅是作為熵變的一種簡單求法，其在熱力學(xué)第二定律中的物理地位也就沒有那么重要了。再加上熵變的求法理解起來比較困難，雖非教學(xué)重點(diǎn)但卻是教學(xué)難點(diǎn)，因此對(duì)于獨(dú)立院校等對(duì)物理要求較低的學(xué)生，這部分完全可以作為選學(xué)內(nèi)容編入教材，課堂上則可以根據(jù)學(xué)生的接受能力選講。

可見從現(xiàn)象到本質(zhì)層層剖析問題的思路，相比其按照歷史順序的講授方式，其優(yōu)點(diǎn)在于脈絡(luò)條理，環(huán)環(huán)相扣，弱化了教學(xué)難點(diǎn)——克勞修斯熵變的地位，尤其是對(duì)于獨(dú)立學(xué)院等層次較低的學(xué)生，這種教學(xué)編排更加適用，圖2是其流程圖。

三、結(jié)束語

熱力學(xué)第二定律一直是大學(xué)物理中的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，通過比較兩種不同教學(xué)思路，發(fā)現(xiàn)針對(duì)問題逐步剖析的教學(xué)思路，可以使學(xué)生理解和接受起來更自然，同時(shí)也弱化了克勞修斯熵變求法這一難點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)地位，這樣的編排尤其適合分層次教學(xué)。

［1］薛瑞，許麗萍.多層面分層次大學(xué)物理教學(xué)改革思考與實(shí)踐［J］.黑龍江教育，2013（11）：11-12.

［2］趙瑞娟，許麗萍，安盼龍，等.大學(xué)物理分層次教學(xué)模式探索——提高二本B教學(xué)效果的多種舉措［J］.物理通報(bào)，2013（6）：9-10.

［3］林智群.多層面分層次大學(xué)物理教學(xué)改革思考［J］.高教學(xué)刊，2016（5）：165-166.

［4］馬文蔚，周雨青，解希順.物理學(xué)（第六版）下冊［M］.北京：高等教育出版社，2014：8.

［5］張三慧.大學(xué)物理學(xué)（第三版）下冊［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

熱力學(xué)第二定律的兩種教學(xué)思路比較*

李慧生 姚林紅

By comparing two kinds of teaching ideas of the second law of thermodynamics，this paper finds a new teaching idea to analyze problems gradually.On one hand，this teaching idea can make students understand the second law of thermodynamics more profoundly and accept it more naturally；meanwhile，it also weaken the status of Clausius entropy，a difficult part，making this teaching idea more suitable for hierarchical teaching.

second law of thermodynamics；teaching idea；Clausius entropy；hierarchical teaching

G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2096-000X（2016）18-0089-02

2016年中北大學(xué)?；穑ň幪?hào)：110248-35140）

李慧生（1979-），男，山西太原，碩士，講師，主要從事大學(xué)物理教學(xué)工作。