趙明蕊

(河南職工醫(yī)學(xué)院,河南鄭州 451191)

“熵”的教學(xué)探討

趙明蕊

(河南職工醫(yī)學(xué)院,河南鄭州 451191)

該文對(duì)熵與物理化學(xué)教學(xué)的聯(lián)系進(jìn)行了分析闡述,在熵的講授中聯(lián)系熵的應(yīng)用,特別是在人體中的應(yīng)用,對(duì)鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí),提高興趣,拓寬知識(shí)面,提高教學(xué)效果是非常有利的。

熵;熵增原理;物理化學(xué)教學(xué);生命過程

熵是物理化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn),同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn),常有學(xué)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(xué)中占據(jù)重要地位,而且延伸到其他學(xué)科,如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息技術(shù)及人文科學(xué)等,所以在物理化學(xué)中加強(qiáng)熵的教學(xué),有著深遠(yuǎn)的意義。筆者對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)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(dǎo)出

熱力學(xué)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(duì)能量的所有轉(zhuǎn)變形式作出定量的比較,必須引入一個(gè)新的概念。根據(jù)卡諾定理,工作于相同的高溫和低溫?zé)嵩撮g的所有可逆熱機(jī)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(yīng)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(xué)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(xué)第二定律又稱為熵增加原理[1]。

2 熵的導(dǎo)出與應(yīng)用的關(guān)系

在熵的導(dǎo)出過程中涉及的公式特別多,而且每個(gè)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(xué)的知識(shí),這是由這門課屬于基礎(chǔ)理論課的性質(zhì)決定的。對(duì)于這些公式的處理就顯得非常重要,如果完全不推導(dǎo)而是全盤推出,讓學(xué)生記住那么多公式,同時(shí)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(xì)推導(dǎo),一方面課時(shí)不允許,另一方面也沒有必要,學(xué)生畢竟不是化學(xué)專業(yè)的。所以要把公式適當(dāng)?shù)奶幚?把其中學(xué)生能接受的部分認(rèn)真的講解,讓學(xué)生自己動(dòng)手推導(dǎo),加深印象,在推導(dǎo)過程中提醒學(xué)生要注意公式的適用條件和范圍,重要的是明確推導(dǎo)出的最終公式能說明什么問題,具有什么用途。

3 熵在教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的物理化學(xué)研究對(duì)象一般是封閉的平衡體系或隔離體系,而對(duì)于醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生來說更關(guān)心的是在人體這樣一個(gè)開放的非平衡體系中,這些化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的。教師知道實(shí)際的隔離體系是不存在的,那么推導(dǎo)出熵函數(shù)之后怎么應(yīng)用呢?人體是一個(gè)熱力學(xué)敞開體系,食物是機(jī)體能量的來源,代謝產(chǎn)物通過人體排入環(huán)境,同時(shí)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(xué)定律。

1943年,奧地利物理學(xué)家薛定諤 (Erwin Schrodinger,1887-1961)出版了《生命是什么》的小冊(cè)子,首先從熵變的觀點(diǎn)分析了生命有機(jī)體的生長與死亡,指出:“一個(gè)生命有機(jī)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(xiǎn)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(fù)熵,有機(jī)體就是賴負(fù)熵為生的?！盵2]

為進(jìn)一步激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣,可以將熵增原理在疾病中的一些應(yīng)用進(jìn)行簡單的介紹。比如:人體最常見的疾病是傷風(fēng)感冒。傷風(fēng)感冒多起因于人們參加了劇烈體育活動(dòng)或重體力勞動(dòng),渾身出汗以后突然受涼。因?yàn)樵趧×一顒?dòng)時(shí)身體會(huì)消耗大量的能量同時(shí)要產(chǎn)生大量的廢熱,稱熵增加或積熵。如果散熱不當(dāng),如過度吹風(fēng)、洗冷水澡或被雨淋,就會(huì)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(dá)命令,通過下丘腦體溫調(diào)節(jié)中樞,機(jī)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(huì)因?yàn)轶w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(huì)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(duì)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(jī)體從外界吸取負(fù)熵流,系統(tǒng)再次回到低熵有序狀態(tài)[3]。

教學(xué)過程是教師和學(xué)生雙向互動(dòng)的過程,通過教學(xué)改革,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高,取得了較好的教學(xué)效果。

[1] 沈雪松.物理化學(xué)[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(jì)量出版社,2004.

[3] 孫會(huì)娟.熵原理及其在生命和社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用[J],北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,21(3):1-4.

[4] 趙明蕊.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J],河南職工醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),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(xué)教學(xué)和科研工作。

[責(zé)任編校:李宜培]