热力学第二定律教学过程中的两点疑惑及认识

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  新课标人教版高中物理选修3-3第十章为《热力学定律》,笔者在使用该教材的过程中遇到两个疑点,在实际教学中较难处理.
  疑点一:热力学第二定律到底是描述“一切与热现象有关的宏观过程的方向性”还是“一切宏观过程的方向性”?
  在教材的第58页有这样的表述:“在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律.”其中“热力学第二定律”是以黑体字形式出现的.如果根据这句话,毫无疑问热力学第二定律描述的是一切宏观自然过程的方向性,不管这种宏观自然过程与热现象是否相关.然而结合教材的前文,会发现在这句话之前教材用了一段文字来举例说明一些与热现象相关的宏观自然过程的方向性,并用了这样一句话作为该段的总结:“一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的”.前后两句话不完全一致,使得师生在教和学的过程中对于热力学第二定律的适用范围颇有疑虑.
  在我们的教辅书上,经常会出现这样的选项:“热力学第二定律描述了一切宏观自然过程的方向性”,“热力学第二定律描述了一切与热现象相关的宏观自然过程的方向性”,资料的编者认为这些说法都是正确的,即“一切宏观自然过程”与“一切与热现象有关的宏观自然过程”两个概念几乎等同.
  同时也有学生问这样的问题:“一切宏观自然过程的方向性都可以用热力学第二定律来解释吗?跟热学不相关也可以吗?”“一张纸被撕坏了不能复原,一条蛇吞食了老鼠不会吐出来,也可以用热力学第二定律来解释吗?”
  经过进一步的学习和深入的思考,我发现根本没有必要在“一切宏观自然过程”和“一切与热现象相关宏观自然过程”的差别上纠结.一切的宏观过程中,必然牵涉到微观上大量分子的热运动规律,自然就包含热现象.因此可以认为,虽然热力学第二定律本身是表述与热现象有关的宏观自然过程的方向性,但因一切的宏观自然过程均与热现象有关,因此其方向性都可以用热力学第二定律来描述.另外学生问到的涉及到一张纸撕坏、蛇吞老鼠等现象的问题,不能简单的说纸被撕坏不能复原,蛇吞食老鼠不吐出就是热力学第二定律所表述的方向性;但是另一方面,这些现象中所涉及撕纸过程中的能量转化,蛇消化老鼠过程中的分子运动的变化,却是可以用热力学第二定律来解释的.
  疑点二:自然过程中,孤立系统的熵是不减少还是增加?
  在教材的64页这样描述:“在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少.”分析这句话的意思,应该是自然过程中孤立系统的熵可以增加,也可以不变.但就在这段描述的下一段中,教材又有这样的文字:“在自发过程中熵总是增加的”,并没有说到熵不变的这种情况.这种前后描述的矛盾,使得师生甚为疑惑.自然过程中,孤立系统的熵是到底不减少还是增加?是否可以不变,何时不变?
  带着这样的问题,笔者首先翻阅了几本市面上较为普遍的教辅资料,发现都或多或少存在认识不清的问题.有的资料认为“自然过程中,熵总是增大”是正确的,有的资料则认为这个说法不准确,应该表述为“自然过程中,熵总是不变或增大”,甚至有的资料对此问题的观点前后矛盾,混淆不清,这些问题对教学过程造成了不小的困扰.
  通过查阅热学书籍和请教大学教师,笔者认识到:在不可逆的过程中,孤立系统的熵一定是增加的;在可逆的过程中,孤立系统的熵才不变.由于自然的过程一定是不可逆的过程,因此自然过程中孤立系统的熵总是增加的,并不会不变;而熵不变的可逆的过程是一种理想化的无摩擦准静态膨胀过程,这种过程一般认为是不存在的,就算有近似理想的这种过程也需要人为的影响,因此熵不变的过程不可能是自然过程;另一方面,如果系统不是孤立的系统,或者过程并非自然过程,加入了人为因素的影响,系统的熵却是可以是不变甚至减小的.因此,准确说来,在自然过程中,孤立系统的熵总是增加的;只有非孤立系统或非自然过程,熵才可以不变或者减少.
  总的说来,在热力学第二定律教学过程中所遇到的困扰,主要源于教师对于该定律的理解不够深入,因此只停留在从字面上理解教材的层次上.要较为透彻、清晰的做好热力学第二定律部分的教学工作,一方面需要教材上有更为准确、一致的表述或者在配套的教师教学用书上进行更为详尽的阐述,另一方面更需要教师加强专业知识的学习,站在整个物理学的更为广阔的背景下进行教学,才能做到游刃有余.
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