略论普物热力学教学的方法论意义

【www.doubiweb.com--教师】

在前几篇文章中，我们曾分别就牛顿力学、电磁场、气体分子运动论的教学，谈了一些看法和意见。热力学也是经典物理的重要组成部分之一，尽管在教学中或许并不存在突出的困难，但如何把握热力学方法的精神实质，仍然是一个值得重视的课题。

热力学从能量转化的观点研究物质的热学性质，总结遵循的普遍规律，这是一种唯象的宏观理论，不涉及物质的微观结构和微观粒了的相互作用，具有高度的普遍性和可靠性，热力学的基本方法就是从基本的热力学定律出发，应用各种态函数，得出系统处于平衡态时各种特性的相互联系，这些构成了平衡热力学的基本内容，适用于一切物质。如果对特殊物质的具体性质感兴趣，还需要附加相应的特殊关系，如讨论理想气体时需要给出其状态方程，如讨论电磁物质时需要给出其极化强度与场强的关系等。与此同时，结果的适用范围也受到了限制。

如所周知，世间万物不断运动变化，随着物理学的发展，人们逐步认识到不同的运动形态，发现了它们之间的种种联系和相互转化为了描述这种联系和转化，需要寻找一个适用于物理学（乃至化学和生物学）一切部门，既有区别又有联系，并且可以定量量度的概念。这就是能量，机械能、热能（内能）、电磁能、辐射能、化学能、生物、核能等概念，尽管分别适用于自然科学的不同部门，却有着共同的含义和量度标准，足以承担沟通和统一认识的作用，具有如此普遍性的能量概念在物理学中并不多见。不仅如此，根据大量实验确认的能量守恒定律表明，不同形式的能量之间可以相互转化，但在转化过程中其总量守恒，既不能无中生有，也不能化有为无。在物质的各种变化运动中，居然找到了一个保持不变的守恒量——能量，得出了一个凌驾于各种具体规律之上的广泛适用的普遍规律——能量守恒定律（它不仅适用于宏观世界而且适用于微观世界）。这是人类的伟大发现，是理性的胜利，其意义之重大，地位之崇高，自不待言。热力不第一定律就是能量守恒定律，尽管在热力学中往往着重讨论热运动与其他运动形式之间的联系和转化，但这并非限制，总之，能量概念的得要正在于其普遍性和守恒性，切不可就事论事，降低其地位和意义，另外，机械能（动能、势能）、电磁能、内能、化学能、核能等概念的严格定义和区分，不仅从能量角度反映出物理学研究领域的扩展与深入，而且也使我们从能量角度对整个物理学大厦获得了一种具有层次感的统一认识，这也是值得注意的。

热力学第二定律的建立是很有启发性的。在热力学研究中，人们发现，与机械运动、电磁运动中各种过程都是可逆的不同。例如功变热、热传递、自然膨胀等涉及热现象的宏观过程都不能自动地逆向进行，并且各种具体的不可逆过程是相互关联、具有深刻内在联系的。这表明，不可逆性是一切涉及热现象的实际宏观过程的新特征，这是研究对象从少量个体变为由大量个体组成的群体后，带来的引人注目的本质区别。不可逆性并不违背能量守恒定律，其实质在于进一步指明，在一切涉及热现象的实际宏观过程中，能量的转化或传递具有一定的方向了限度。

为了定量表述热力学第二定律，考虑到孤立系统内一切变化都与外界无关，必然都是绝热过程，所以需要寻找的态函数，应在理想的可逆绝热过程中保持不变，而在实际的不可逆绝热过程中则应单调变化。这样，就可以通过这个态函数的变化，定量地描绘孤立系统实际宏观热现象过程的方向。克劳修斯通过理想的任意可逆循环和实际的任意不可逆循环的研究，找到了这个态函数，命名为熵。并证明孤立系统中实际宏观热现象过程进行的方向是使熵单调增大，系统达到平衡态的熵达到最大值，从而给出了过程进行的限度。这就是熵增加原理，它与热力学第二定律等价。

能量是物质运动的一种量度，能量有多种形式，可以互相转化，在转化过程中总量不变，熵则描述内能与其他形式能量之间自发转化的方向和转化完成的程度。随着转化的进行，孤立系统趋于平衡态，其熵值越来越大，在些过程中，虽然能量的总量不变，但可供利用或转化的内能却越来越少了。内能、熵及其遵循的热学第一、第二定律，使人们对于热运动联系的能量转化过程的基本特征有了全面的认识。

涉及热现象的实际宏观过程的不可逆性的微观本质是，从有序向无序过渡，即从概率较小的状态向概率较大的状态过渡。熵正是组成系统的大量微观粒子的无序度即混乱程度的量度。这就是热力学第二定律的统计意义，研究对象的变化使热运动规律出现了区别与牛顿力学的非决定论特征。

与能量守恒定律不同，热力学第二定律适用于大量分子、原子组成的宏观系统，也适用于场（如辐射场），但不适用于少量分子、原子组成的系统，至于过去把热力学第二定律应用于宇宙导致的“热寂说”错误，是由于没有考虑引力的作用。

热力学理论在自然科学的许多领域，如热工学、化学、生物学、冶金、气象、天体等方面都有重要应用。最得要的是，如果由实验确定了物体的某些性质，则仅根据热力学基本方程（它是由热力学第一定律和第二定律的数学表述联合起来得出的，为dU ≤TdS―dA,

其中T、U、S分别是热力学温度、内能、熵，A是功，等号适用于理想的可逆过程，不等号适用于实际的不可逆过程），就可预言该物体的另一些性质。例如，由实验测定冰的比容大于水的比容，则由热力学基本方程即可预言冰的融点随压强的增大而降低。另外，导致人类历史上第一次技术革命的蒸汽机，实现的正是热功能转换，尽管传热与作功都是使系统内能变化的手段，都是过程量，在数值上存在热功当量，但作功是通过系统的宏观位移实现的，传热则是通过组成系统的大量分了的无规则热运动和相互之间的作用实现的。热功转换是系统内分了无规则热运动能量与系统有规则整体运动能量之间转换，这种转换不仅在总量上要守恒，而且还必须在转换的方向和限度上受到制约，这正是热运动区别与其他运动形式的特殊本质。热力学阐明了热机效率的理论限制，指出了提高热机效率的方向和途径，断定永动机（第一类和第二类）不可能造成，显示了基础理论的实践威力。

通过以上的简要叙述，我们不仅试图指明热力学的研究方法及其理论和实践意义，更试图强调这咱方法赖以建立的根据。不难看出，从观察现象，寻找联系，注意区别；到把物理本质，发现规律；再建立概念、定理、原理，予以定量表述，并构筑完备的理论体系；进而阐明微观本质，确定适用范围及理论地位；与此同时，开展广泛的理论研究和实践应用；等等，可谓环环相接，丝丝入扣。所有这些，完整地展现了建立物理理论的全过程，提供了从现象提示本质，从具体进入抽象、从特殊事例达到普遍规律，从理论研究到实践应用的创造性工作的的范例，不懂得这些，就难以体会热力学方法的精神实质。其中，尤以不可逆特征的把握，对实际上并不存在的理想可逆过程的研究，以及熵函数的引入，发人深省，回味无穷。

本文来源：http://www.doubiweb.com/jxzl/229560.html