从人文视角构想热力学第二定律的教学，本文主要内容关键词为：热力学论文,定律论文,视角论文,人文论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在新课标高中物理教材中，无论是侧理类选修3-3，还是侧文类的选修1-2，都有热力学第二定律的内容出现，而且教材明确提出了熵的概念。热力学第二定律即使在大学普通物理中也是一块艰涩的内容，对于理解能力和数学基础尚有一定差距的高中学生来说，的确是一个难点。编者的意图何在？作为教师该如何找准教学的定位？
诚如天体和大气物理学家埃姆顿所云：“在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定着整个企业的运营方式和方法，而能仅仅充当簿记，平衡贷方和借方。”熵这个概念的重要性不亚于能，它不仅应用于对社会发展起到关键作用的热科学领域，还广泛地应用于物质结构、低温物理、化学动力学、生命科学和宇宙学，而且已经延伸到诸如经济、社会、信息技术等领域。从新课程应充分体现时代性的理念来看，在高中物理中安排这块内容的确顺理成章。再从当前人类面临的社会问题看，几乎可以这样说，除了文化冲突和民族纷争以外，人口、能源和环境是一切社会问题发生之源。为了子孙后代的生存发展必须节约能源的观点，保护环境就是保护人类自身的意识，是本块内容应该体现的人文内涵。由于上述诸多因素，在本块内容的教学设计中，应体现定性优于定量，人文性大于科学性的原则。如何落实新课程所要求的三维教学目标，充分体现本块内容的人文性呢？笔者认为可以从以下几个方面入手。
一、运用人文手段，理解、诠释热力学第二定律
实验手段、数学手段、逻辑手段等是属于科学的手段，运用比喻、典故、故事、成语俚语等可以说是人文手段。在本块内容教学中，教师要尽量避开或者降低定量和逻辑推理要求，而以学生易于接受且能引起共鸣的一些人文方法，以加深对热力学第二定律的理解。
克劳修斯指出：热量不能自发地从低温物体传向高温物体，说明热传递是有方向的。如果我们在学生耳熟能详的成语“水往低处流，人往高处走”后面添加一句“热往低温传”，体现自然过程发生是有方向的，学生就觉得很好理解。
当然，热量从高温物体向低温物体散发，也存在一个流畅性的问题。比如一个人热得出汗了，要向周围空间散发热量，我们就希望周围的空气流动，以加快散发的速度。我们地球持续地接收着太阳的辐射热量，为了使地球的环境温度稳定在一个恰当的值，就必须向周围空间以红外线的形式散发热量。以前这种接收和散发长时间维持在适当的比例上，使得地球上的生灵得以生存和发展，但近几十年来由于二氧化碳的过量排放，它像一件保暖内衣包裹着地球，使红外线的外散辐射被抑制，结果导致温室效应，地球变暖，出现了严重的环境问题。如果不有效地控制二氧化碳的排放，物种灭绝的现象将愈演愈烈，生态环境越来越恶化。以保暖内衣比喻温室效应，显得形象生动。
1986年8月在日本东京举行的国际物理教学研究会上(ICPE)，一位代表对“微观过程是可逆的，宏观过程是不可逆的”的物理现象作了一个比喻，好比两条狗，一条黑狗上生满了跳蚤，另一条黄狗是干净的，两条狗站在一起，跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上，当然也可以再从黄狗身上跳回黑狗身上，跳蚤跳来跳去的过程相当于微观过程是可逆的，但最后无论是黄狗还是黑狗都不可能是干净的，即从宏观上看，跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上，使黄狗重新成为干净这一宏观的逆过程是不可能发生的，这一比喻形象生动，受到与会代表赞赏，“狗蚤回跳”，也成为热力学第二定律教学案例的一个典故。
二、体现人文价值，培养学生节能环保方面的正确价值观和社会责任感
如果说科学的第一要义是求真，那么人文的第一要义是求善。通过热力学第二定律的学习，使学生理性地认识到能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化是具有方向性的，人们的一切生产、生命活动中，都在把机械能、电能、核能、生物能……概而言之一句话，把千古积累的和正在接收到的太阳能，最终转化为内能，把有序度大的能量变成无序度大的能量，即能量耗散。随着能量的耗散，能量从高品质转化为低品质，虽然能量不会减少但能源却越来越少。化石能源不但资源有限，而且对环境造成很大的破坏。
学生只有通过对于能量耗散和环境破坏原因的深刻理解，才能逐渐自觉树立节能环保的责任意识，并转化成自觉行动和良好习惯。你今天开车烧掉了10升汽油，地球的资源就减少了10升。全世界的人合起来，就是一个庞大的数字。反过来同样是一个巨大的数字，若每一个人日常生活中节约一点，那么对全球能源应用的意义同样重大。从另一个角度看，还应该开发新能源，如太阳能，你使用太阳能热水器洗一个澡，单纯地从成本核算看，可能并不比电热器省，或者说也完全可以负担得起，但从节能环保的角度看，却完全是两码事。因此从人文教育的角度审视，通过本块内容的学习，应该使学生们从小就被要求养成的一些良好习惯，诸如随手关灯的习惯，尽量少开空调的习惯，节约一张纸的习惯等等，提升到理性的高度。
三、挖掘人文意蕴，在学习热力学第二定律过程中领略物理美
在奥地利物理学家玻耳兹曼的墓碑上，镌刻着这样的碑文：
S=KlnW
这正是定量表示熵S和微观态数W之间关系的玻耳兹曼公式，其中K就是著名的玻耳兹曼常数。这个公式闪烁着物理大师的创造和发现的智慧之美，而这块雕刻着公式的墓碑更闪烁着后人尊重科学尊重大师的人文之美。
我们学习过的物理定律和定理，一般都有法定的严密的逻辑表达形式，可是学生会发现，教材中热力学第二定律有好几种表达。德国物理学家克劳修斯在1850年指出：热量不可以自发地从低温物体传到高温物体；英国物理学家开尔文于1851年在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后指出：不可能从单一热源吸热，使之完全变成功，而不产生其他影响；从微观的角度也可以这样表达：一切自然过程总是沿着分子运动无序性增大的方向进行；还有一种比较专业的表达：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，所以把热力学第二定律又叫做熵增加原理；在气体对真空膨胀的过程中又表述为“气体向真空的膨胀是不可逆的”；甚至在化学里被表述为“自发的化学过程总是朝着释放热量或无序程度增加的方向进行”等等。
物理学的理论体系呈现高度的和谐美、统一美和简洁美。上述几种表述和谐统一互通，最终以熵增原理简洁而完美地表达，正是物理美的体现。正如宋代诗人苏轼描绘庐山诗中所云：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”热力学第二定律如同一座雄伟秀美的山川，多角度的表述，正是其丰富而深刻的内涵和物理学家们为认识客观世界而付出的创造性劳动的体现。
四、拓展人文视角，注重与相关学科的交叉综合
在生物学中，生物进化过程意味着从低级向高级，从无序到有序。而热力学第二定律指出自然过程从有序到无序。二者是否矛盾？
其实，根据耗散结构理论，有机体作为一个开放的耗散结构，它的产生既要靠外界不断提供物质和能量，还必须要向这个开放系统提供“负熵流”，也就是输入系统的熵必须小于输出的熵，系统有净熵输出。对于动物来说，生命攸关的低熵物质有两类：低熵高能的食物（如碳水化合物）和低熵低能的净液态水，排出的高熵物质如二氧化碳、水汽、尿、汗和其他排泄物。如图1，正是有机体作为开放系统自身熵的不断减少，导致生物体从无序向有序的进化。热力学第二定律和生物进化论，同属19世纪科学上最伟大的发现，得到很好的统一。
图1
在高中化学中，其教学进度先于物理就出现了“焓变”和“熵变”的概念。用焓变的正负、大小来描述化学反应中物质的能量状态改变情况。如果能量状态降低则焓变，就能够自发地进行化学反应，其焓变值越大，就标志释放的热量越多，反应进行得越彻底；用熵变的正负、大小来描述化学反应前后物质的无序程度，如果无序程度增大则熵变，就能够自发地进行化学反应，熵变越大，越有利于反应自发进行。在2009年浙江省高考自选模块的调测卷中，有一个其中选项为“一杯30℃的水放在空气中，温度慢慢降到10℃，这杯水的熵增加”的选择题，许多物理老师想当然地认为自发的热传递过程熵必定增加，这完全符合热力学定律，错误地选取了这个选项，而学生却多能从化学的角度出发，认为这杯水的温度降低，分子热运动的有序度变好，所以它的熵是减少的。这里从物理的角度讲，是没有注意到“孤立系统”的前提，应该是这杯水的熵减少，环境空气的熵增加，这杯水和环境空气组成的孤立系统的熵增加。
在高中地理教学中非常强调能源问题和环境问题，在政治经济学中，也多次讨论能源和环境。如其各自为政，孤军作战，不如相互联系，相互穿插，综合性地解决问题，这样可以大大提高教学的有效性，有利于学生人文素质和综合能力的提高。