趙明蕊

(河南職工醫(yī)學院,河南鄭州 451191)

“熵”的教學探討

趙明蕊

(河南職工醫(yī)學院,河南鄭州 451191)

該文對熵與物理化學教學的聯(lián)系進行了分析闡述,在熵的講授中聯(lián)系熵的應用,特別是在人體中的應用,對鞏固學生所學知識,提高興趣,拓寬知識面,提高教學效果是非常有利的。

熵;熵增原理;物理化學教學;生命過程

熵是物理化學教學中的一個重點,同時也是一個難點,常有學生反映有關(guān)的內(nèi)容難以理解。但熵的概念不僅在熱力學中占據(jù)重要地位,而且延伸到其他學科,如生命科學、環(huán)境科學、信息技術(shù)及人文科學等,所以在物理化學中加強熵的教學,有著深遠的意義。筆者對該課程的教學改革進行了初步嘗試,并取得了一定的效果,現(xiàn)總結(jié)如下。

1 熵的導出

熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述描述的是兩類不同的現(xiàn)象,表述也不一樣,但兩者的本質(zhì)是一樣的,那便是熱功轉(zhuǎn)化的不可逆性。為了對能量的所有轉(zhuǎn)變形式作出定量的比較,必須引入一個新的概念。根據(jù)卡諾定理,工作于相同的高溫和低溫熱源間的所有可逆熱機的效率都相等。

式中Q1和Q2是可逆循環(huán)中兩等溫過程中傳遞的熱量,而兩絕熱過程中無熱量的傳遞。將(2)式推廣應用到任意可逆循環(huán)過程中可得:任意可逆循環(huán)過程的熱溫熵之和為零。這說明熱與溫度的比值只與始末狀態(tài)有關(guān),和具體的變化途徑無關(guān),它具有狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì),所以克勞修斯引入了熵的概念。于是熱力學第二定律可表述為:在隔離體系內(nèi),任何變化都是向著熵增加的方向,即ΔS≥0。如果變化的過程是可逆的,則ΔS=0;如果變化的過程是不可逆的,則ΔS＞0。所以熱力學第二定律又稱為熵增加原理[1]。

2 熵的導出與應用的關(guān)系

在熵的導出過程中涉及的公式特別多,而且每個公式都有其適用條件,有的適用條件有二三條,有的甚至五六條,許多涉及高等數(shù)學的知識,這是由這門課屬于基礎(chǔ)理論課的性質(zhì)決定的。對于這些公式的處理就顯得非常重要,如果完全不推導而是全盤推出,讓學生記住那么多公式,同時還要記住他們的適用條件是很困難的,甚至可以說是不可能的;而仔細推導,一方面課時不允許,另一方面也沒有必要,學生畢竟不是化學專業(yè)的。所以要把公式適當?shù)奶幚?把其中學生能接受的部分認真的講解,讓學生自己動手推導,加深印象,在推導過程中提醒學生要注意公式的適用條件和范圍,重要的是明確推導出的最終公式能說明什么問題,具有什么用途。

3 熵在教學中的應用

傳統(tǒng)的物理化學研究對象一般是封閉的平衡體系或隔離體系,而對于醫(yī)學院校的學生來說更關(guān)心的是在人體這樣一個開放的非平衡體系中,這些化學反應是怎樣進行的。教師知道實際的隔離體系是不存在的,那么推導出熵函數(shù)之后怎么應用呢?人體是一個熱力學敞開體系,食物是機體能量的來源,代謝產(chǎn)物通過人體排入環(huán)境,同時人體還通過熱輻射向環(huán)境傳遞熱量,所以生命過程服從熱力學定律。

1943年,奧地利物理學家薛定諤 (Erwin Schrodinger,1887-1961)出版了《生命是什么》的小冊子,首先從熵變的觀點分析了生命有機體的生長與死亡,指出:“一個生命有機體,在不斷地增加它的熵,或者說是在增加正熵,并趨于接近最大值的熵的危險狀態(tài),那就是死亡。要擺脫死亡,就是說要活著,唯一的辦法就是從環(huán)境不斷汲取負熵,有機體就是賴負熵為生的。”[2]

為進一步激發(fā)同學們的學習興趣,可以將熵增原理在疾病中的一些應用進行簡單的介紹。比如:人體最常見的疾病是傷風感冒。傷風感冒多起因于人們參加了劇烈體育活動或重體力勞動,渾身出汗以后突然受涼。因為在劇烈活動時身體會消耗大量的能量同時要產(chǎn)生大量的廢熱,稱熵增加或積熵。如果散熱不當,如過度吹風、洗冷水澡或被雨淋,就會使皮膚感覺過涼。于是,為使身體溫暖,中樞神經(jīng)系統(tǒng)便一方面下達命令,通過下丘腦體溫調(diào)節(jié)中樞,機體產(chǎn)生熱量;另一方面,命令相關(guān)職能組織關(guān)閉皮膚表層毛孔,阻止體內(nèi)熱量的散失。這樣,體內(nèi)原有積熵非但不能順利排出體外,還會因為體內(nèi)不斷產(chǎn)熱而增加新的積熵,致使身體各部的總熵變,系統(tǒng)混亂度逐漸增加。人就會出現(xiàn)頭暈眼花、四肢無力、發(fā)燒畏寒、全身不適等感冒癥狀。對于感冒的治療,無論是中醫(yī)的“發(fā)汗清熱”,還是西醫(yī)的“滅菌消炎”,從熵原理來看其本質(zhì)就是為了使機體從外界吸取負熵流,系統(tǒng)再次回到低熵有序狀態(tài)[3]。

教學過程是教師和學生雙向互動的過程,通過教學改革,學生的學習興趣明顯提高,取得了較好的教學效果。

[1] 沈雪松.物理化學[M],北京:中國醫(yī)藥科技出版社,2009.

[2] 夏兆陽.現(xiàn)代物理概論[M],北京:中國計量出版社,2004.

[3] 孫會娟.熵原理及其在生命和社會發(fā)展中的應用[J],北京聯(lián)合大學學報(自然科學版),2007,21(3):1-4.

[4] 趙明蕊.分析化學實驗教學改革[J],河南職工醫(yī)學院學報,2008,20(4):405-407.

Entropy and Physical Chem istry Teach ing

ZHAO Ming-rui
(Henan M edical College for Stuff and W orkers,Zhengzhou Henan450003,China)

The essay elaborates the link between entropy theory and physical chemistry teaching. It indicates that it is useful at the process of teaching integrate the application of entropy to develope and improve the students’enthusiastics for study and better teaching techniques.

entropy;entropy increase principle;physical chemistry teaching;life process

G 642.0

B

1008-9276(2011)02-0231-02

2010-12-10

趙明蕊 (1976-),女,河南省唐河縣人,碩士,講師,從事化學教學和科研工作。

[責任編校:李宜培]