“熵”的教学探讨

赵明蕊

(河南职工医学院,河南郑州 451191)

“熵”的教学探讨

赵明蕊

(河南职工医学院,河南郑州 451191)

该文对熵与物理化学教学的联系进行了分析阐述,在熵的讲授中联系熵的应用,特别是在人体中的应用,对巩固学生所学知识,提高兴趣,拓宽知识面,提高教学效果是非常有利的。

熵;熵增原理;物理化学教学;生命过程

熵是物理化学教学中的一个重点,同时也是一个难点,常有学生反映有关的内容难以理解。但熵的概念不仅在热力学中占据重要地位,而且延伸到其他学科,如生命科学、环境科学、信息技术及人文科学等,所以在物理化学中加强熵的教学,有着深远的意义。笔者对该课程的教学改革进行了初步尝试,并取得了一定的效果,现总结如下。

1 熵的导出

热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述描述的是两类不同的现象,表述也不一样,但两者的本质是一样的,那便是热功转化的不可逆性。为了对能量的所有转变形式作出定量的比较,必须引入一个新的概念。根据卡诺定理,工作于相同的高温和低温热源间的所有可逆热机的效率都相等。

式中Q1和Q2是可逆循环中两等温过程中传递的热量,而两绝热过程中无热量的传递。将(2)式推广应用到任意可逆循环过程中可得:任意可逆循环过程的热温熵之和为零。这说明热与温度的比值只与始末状态有关,和具体的变化途径无关,它具有状态函数的性质,所以克劳修斯引入了熵的概念。于是热力学第二定律可表述为:在隔离体系内,任何变化都是向着熵增加的方向,即ΔS≥0。如果变化的过程是可逆的,则ΔS=0;如果变化的过程是不可逆的,则ΔS＞0。所以热力学第二定律又称为熵增加原理[1]。

2 熵的导出与应用的关系

在熵的导出过程中涉及的公式特别多,而且每个公式都有其适用条件,有的适用条件有二三条,有的甚至五六条,许多涉及高等数学的知识,这是由这门课属于基础理论课的性质决定的。对于这些公式的处理就显得非常重要,如果完全不推导而是全盘推出,让学生记住那么多公式,同时还要记住他们的适用条件是很困难的,甚至可以说是不可能的;而仔细推导,一方面课时不允许,另一方面也没有必要,学生毕竟不是化学专业的。所以要把公式适当的处理,把其中学生能接受的部分认真的讲解,让学生自己动手推导,加深印象,在推导过程中提醒学生要注意公式的适用条件和范围,重要的是明确推导出的最终公式能说明什么问题,具有什么用途。

3 熵在教学中的应用

传统的物理化学研究对象一般是封闭的平衡体系或隔离体系,而对于医学院校的学生来说更关心的是在人体这样一个开放的非平衡体系中,这些化学反应是怎样进行的。教师知道实际的隔离体系是不存在的,那么推导出熵函数之后怎么应用呢?人体是一个热力学敞开体系,食物是机体能量的来源,代谢产物通过人体排入环境,同时人体还通过热辐射向环境传递热量,所以生命过程服从热力学定律。

1943年,奥地利物理学家薛定谔 (Erwin Schrodinger,1887-1961)出版了《生命是什么》的小册子,首先从熵变的观点分析了生命有机体的生长与死亡,指出:“一个生命有机体,在不断地增加它的熵,或者说是在增加正熵,并趋于接近最大值的熵的危险状态,那就是死亡。要摆脱死亡,就是说要活着,唯一的办法就是从环境不断汲取负熵,有机体就是赖负熵为生的。”[2]

为进一步激发同学们的学习兴趣,可以将熵增原理在疾病中的一些应用进行简单的介绍。比如:人体最常见的疾病是伤风感冒。伤风感冒多起因于人们参加了剧烈体育活动或重体力劳动,浑身出汗以后突然受凉。因为在剧烈活动时身体会消耗大量的能量同时要产生大量的废热,称熵增加或积熵。如果散热不当,如过度吹风、洗冷水澡或被雨淋,就会使皮肤感觉过凉。于是,为使身体温暖,中枢神经系统便一方面下达命令,通过下丘脑体温调节中枢,机体产生热量;另一方面,命令相关职能组织关闭皮肤表层毛孔,阻止体内热量的散失。这样,体内原有积熵非但不能顺利排出体外,还会因为体内不断产热而增加新的积熵,致使身体各部的总熵变,系统混乱度逐渐增加。人就会出现头晕眼花、四肢无力、发烧畏寒、全身不适等感冒症状。对于感冒的治疗,无论是中医的“发汗清热”,还是西医的“灭菌消炎”,从熵原理来看其本质就是为了使机体从外界吸取负熵流,系统再次回到低熵有序状态[3]。

教学过程是教师和学生双向互动的过程,通过教学改革,学生的学习兴趣明显提高,取得了较好的教学效果。

[1] 沈雪松.物理化学[M],北京:中国医药科技出版社,2009.

[2] 夏兆阳.现代物理概论[M],北京:中国计量出版社,2004.

[3] 孙会娟.熵原理及其在生命和社会发展中的应用[J],北京联合大学学报(自然科学版),2007,21(3):1-4.

[4] 赵明蕊.分析化学实验教学改革[J],河南职工医学院学报,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

赵明蕊 (1976-),女,河南省唐河县人,硕士,讲师,从事化学教学和科研工作。

[责任编校:李宜培]