热力学第二定律

                                                ——科学文化与人文文化融合的教学案例

高兰香 数理学院物理系

一、背景

科学文化与人文文化是社会整体文化的两个重要侧面，两者各具特点，相对独立，但又在本质上相融通，尤其是作为两种文化的核心——科学精神与人文精神在本质上高度和谐统一。然而，也有不少学者认为科学文化与人文文化是根本对立的，其焦点在于两者倡导的价值观念不同，人文文化倡导人本主义的价值观念，强调人和人的价值，科学文化倡导理性至上的价值观念，强调逻辑分析和认知世界。笔者认为，人是自然科学与人文科学共同的研究对象，而两种科学必须以追求真善美等崇高的价值理想和以人自身的全面发展为终极目标。然而，高校理工科物理的教学长期以来过于重视科学教育，而弱化了人文教育，使得物理教学愈发陷入难教亦难学的两难困境。笔者一直尝试融人文文化于科学文化教育，让学习者不仅在各自专业领域获得科学知识的增长，同时促进学习者的认知、情感和意志的协调健康发展。本教学案例即是两种文化紧密融合的现实呈现，其教学主题是热力学第二定律，结合学科教学目标并依据教学内容挖掘其内蕴含的人文教育元素，促进学生的全面发展。

二、展示（一）古诗词引入问题

PPT  呈现南唐后主李煜的词《相见欢》

笔者让一位同学阐释该词的意境，对学生的表述加以表扬并完善，并将问题的关键落到“水长东”三个字上面，询问学生为何“水长东”？

学生经过思考后回答：“我们在地理上面学过，中国西部多为高原，东部为平原和江河，因此从地势上来说，中国的地貌是西高东低，因此诗人看到的自然是东逝的江水，奔腾不息，永无休止”。

图1 诗词导入教学主题

教师：回答得很好！这也是我们常说的水往低处流，在重力作用下，水自发地从高处流向低处，不需要消耗我们任何能量。大家还知道哪些类似“水长东”诗句？

学生积极思考，各抒己见，汇总会大体有：“大江东去浪淘尽”，“滚滚长江东逝水，浪花淘尽英雄”，等等。

教师：很好。在重力的作用下，重物会往下落，如“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来”。这也是我们常见的现象，透过大家熟知的诗句，我们可以明白一个道理：可见，自然界中的过程都是有方向性的。而我们今天要讲述的热力学第二定律，正是指明了自然界中过程的方向性的，也可以说，它指出了哪些过程是可以自发进行的，哪些不行。

（二）热力学第二定律的内容（1）热力学第二定律的两种表述

教师：历史上关于第一类永动机设计方案有很多，最终都被否定了，因为其违背了热力学第一定律；此后不少人尝试能不能发明一种效率为1的热机，即该热机只从高温热源吸收热量并做功，而不向低温热源放出热量。这也就是历史上有名的第二类永动机。教师展示几种典型的永动机的方案以及图片，学生对此表现出浓厚的兴趣，并分析“永动机”不能永动的原因。

教师归纳：第二类永动机也是不能制成的，因为它违背了热力学第二定律。PPT呈现两种表述，并着重解释开尔文表述中的“单一热源”以及“完全变为有用功而不产生任何其他影响”的内涵，以及其表述与第二类永动机是不可能制成的等价。

图2 效率为1的热机工作示意图

克劳修斯表述为“热量不可能自动地从低温物体传向高温物体”，让学生注意“自动地”三个字，如果将这三个字去掉，则不正确了，因为夏天空调制冷时，热量可以从低温室内传向高温室外，这个过程能进行是由条件的，即需要消耗电能对其做功才行，而不能自发地进行。  

（2）自发过程的方向性

教师：自然界中还有许多过程体现了这种方向性？能举些例子吗？

学生：功变热的现象，自由膨胀，扩散过程等。

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图3 自然过程的方向性

教师：对的，自然界中有很多的过程不违背热力学第一定律，但是却很少看到其发生，可见，自然界中实际上自发发生的过程，都具有方向性，而热力学第二定律可以判断过程进行的方向，即判断哪些过程能自发地进行，哪些不能自发地进行。

（3）热力学第二定律的统计意义

教师：怎么解释热力学第二定律呢？我们可以从微观上进行解释。

PPT呈现：我们知道，热力学研究对象是大量的气体分子，是大量的微观粒子的运动，以气体的自由膨胀为例（解释概率，宏观态，微观态等概念），说明孤立系统中自发进行的不可逆过程是由概率小的宏观态想概率大的宏观态进行，也就是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态多的宏观态进行。这就是热力学第二定律的统计意义。

图4 热力学第二定律统计意义

那么，什么是可逆过程，什么是不可逆过程？当系统经历了一个过程，如果过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为可逆过程。显然，在可逆过程中，系统和外界都能恢复到原来状态。反之，如果对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。可逆过程一定是准静态过程，但准静态过程未必是可逆过程。只有无摩檫和无耗散因素的准静态过程才是可逆过程。

生活中有很多类似的例子，如大家熟悉的覆水难收、破镜难圆等，泼出去的水以及破碎的镜子，如果不借助外界的能量，它们不可能自动收缩为初态的一盆水以及一面完好的镜子。可见，自然界中能够自发进行的方向，通常是朝着杂乱的、无序的方向进行，而不会由杂乱无章自发地向有序进行。

图5 生活中的不可逆过程

（三） 热力学第二定律的启示（1） 时间启示

人类对于自然界中可逆与不可逆过程的认识，是与对时间的认识紧密联系的。在中国古代有许多关于时间的格言和谚语，如“机不可失，时不再来”，“天地者，万物之逆旅，光阴者，百代之过客”。物理学家费曼也曾说过：“在不可逆的过程中失去的不是能量，而是机会”。机不可失，教人要善于抓住机会，机会一旦失去就没有了。时间不会循环不会倒流，“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴”。我们必须珍惜时间。

（2） 培养节约能源意识

就热力学的观点来说，所费多于所当费，或所得少于所可得，都是浪费,能量的可用度的损失，和各种过程的不可逆性直接有关，因此，节能的首要任务在于和不可逆性作斗争。同学们可能会问，热力学第一定律说明宇宙中总能量是不变的，那为什么还有能源危机的说法呢？热力学第二定律给出了答案，能量的转化具有方向性，其他形式的能转化成内能，这些内能最终流散到周围环境中，没有办法把这些流散的能量重新收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。如大家在空调屋内享受夏日的清凉时，消耗了电能，电机工作过程中向环境散发的热量就难以利用了。

（3） 运动与平衡，可逆与不可逆的辩证统一

热力学第二定律反映了运动和平衡、不可逆与可逆的辩证统一。体系在未达到平衡态之前，过程总是自动地单向地趋于平衡态，没有单向运动就不会有平衡态，如果高温物体的热量不单向地传给低温物理体，就不会有两物体温度一致的热平衡状态。恩格斯曾指出：“平衡是和运动分不开的”，平衡是物质运动过程中的一种特殊状态。毛主席进一步指出：“无论什么事物的运动都采取两种状态，相对静止的状态和显著地变动的状态”。所谓平衡，就是矛盾的暂时的相对的统一。否认过程的不可逆性，就必然否认运动，从而否认平衡，否认运动与平衡的辩证统一。

三、评析（一）结合教学目标，合理设计教学内容

该部分教学内容如单从物理学科层面讲解，则枯燥无味，并且生涩难以理解。尤其是对于可逆与不可逆的定义，且教学目标中对于该部分内容要求不太高，且其与生活各方面都有一定关系，笔者通过诗词、谚语以及启发等入手，设计并组织了该课堂教学，人文教育与科学教育联系非常紧密。

（二）注重问题引入方式，提升学生兴趣

以大家熟知的诗词引入问题，以历史上有名的永动机设计方案等入手，让学生感觉原来物理教学也可以这么有趣。并且，所选取的诗并不生僻，都是学生能朗朗上口背诵出来的，在极具逻辑性的物理教学中让学生吟诵古诗词，既能深刻体会到中华传统文化之美，又能对科学文化有进一步的认识；永动机的设计介绍也让学生明白，实践必须以理论为指导，任何违背自然理论的尝试都将导致失败。

（三）结合教学内容，开展思想教育

引入诗词歌赋、格言、永动机历史介绍等，并不是单纯让在学习物理之外多学几首诗词，或是单纯地了解永动机的历史，而是通过文理交融的教学方式，既能感受源远流长的中华文化，激发爱国主义精神；又能恰如其当地分析其内蕴含的人生哲理，如劝诫学生惜时努力，节约能源、以辩证的眼光看待问题等，这种融合科学文化以及人文文化的有理有据的思想教育，比单纯的爱国教育、爱护环境等思想教育更具说服力。