热力学第二定律的两种教学思路比较

（中北大学理学院，山西太原030051）

（中北大学理学院，山西太原030051）

比较热力学第二定律的两种教学思路，发现针对问题逐步剖析的教学思路，一方面可以使得这部分内容理解起来更深刻、接受起来更自然；同时也弱化了克劳修斯熵这一难点内容的地位，更适合分层次教学［1-3］。

热力学第二定律；教学思路；克劳修斯熵；分层次教学

一、概述

热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的两大基础理论。其中热力学第一定律的本质就是能量守恒定律，比较容易理解和接受。但是热力学第二定律是关于过程进行的方向性的理论，无论是在力学、振动与波、光学、电磁学以及近代物理都没有涉及这一部分，因此学生理解起来非常困难。

二、两种教学思路的比较

目前对于热力学第二定律的这一部分内容通常有两种教学思路：一种是按照人们对热力学第二定律的历史认识顺序来编排的［4］；另一种是按照从现象到本质层层剖析问题的思路来编排的［5］。下面就这两种编排思路做一比较。

按照人们对热力学第二定律的历史认识顺序的教学思路，首先是提出热力学第二定律的两种表述——开尔文表述和克劳修斯表述，以及二者的等价性证明。但是开尔文表述和克劳修斯的表述毕竟差别太大，不仅如此还可以证明孤立系统中发生的各种表述不同的不可逆过程其方向性的本质都是等价的。这样就不由激发了学生对“热力学第二定律本质到底是什么？为什么孤立系统中发生的各种不可逆过程的本质都是等价的？”疑问。

图1

最后再次分析过程进行方向性的微观统计机理并引出了玻尔兹曼熵S=klnW，随后举例说明了，玻尔兹曼熵变实际上就是克劳修斯熵变，这样热力学第二定律和熵增加原理的本质才最终弄清楚：孤立系统中发生的所有的不可逆过程都是向着熵增加的方向，即向着热力学概率增加的方向进行。

这样的教学编排虽然遵循了历史上人们对热力学第二定律的认识顺序来进行的。但是按照这样的顺序教学却使得学生理解和接受起来颇为困难，尤其是对于层次较低的独立学院的学生更加如此，图1是其流程图。

按照从现象到本质层层剖析问题的教学思路首先仍然是提出热力学第二定律的两种表述——开尔文表述和克劳修斯表述，以及二者的等价性证明。

然后针对“热力学第二定律本质到底是什么？为什么各种不可逆过程的本质都等价？”的疑问。以理想气体自由膨胀不可逆性为例，从微观角度出发，用统计方法揭示热力学第二定律的微观本质——孤立系统中发生的所有不可逆过程都是向热力学概率增加的方向进行的。这样使得学生们对热力学第二定律理解和接受就变得非常容易了。

图2

最后既然熵增加原理都清楚了，那么克劳修斯熵也就仅仅是作为熵变的一种简单求法，其在热力学第二定律中的物理地位也就没有那么重要了。再加上熵变的求法理解起来比较困难，虽非教学重点但却是教学难点，因此对于独立院校等对物理要求较低的学生，这部分完全可以作为选学内容编入教材，课堂上则可以根据学生的接受能力选讲。

可见从现象到本质层层剖析问题的思路，相比其按照历史顺序的讲授方式，其优点在于脉络条理，环环相扣，弱化了教学难点——克劳修斯熵变的地位，尤其是对于独立学院等层次较低的学生，这种教学编排更加适用，图2是其流程图。

三、结束语

热力学第二定律一直是大学物理中的一个教学难点，通过比较两种不同教学思路，发现针对问题逐步剖析的教学思路，可以使学生理解和接受起来更自然，同时也弱化了克劳修斯熵变求法这一难点内容的教学地位，这样的编排尤其适合分层次教学。

［1］薛瑞，许丽萍.多层面分层次大学物理教学改革思考与实践［J］.黑龙江教育，2013（11）：11-12.

［2］赵瑞娟，许丽萍，安盼龙，等.大学物理分层次教学模式探索——提高二本B教学效果的多种举措［J］.物理通报，2013（6）：9-10.

［3］林智群.多层面分层次大学物理教学改革思考［J］.高教学刊，2016（5）：165-166.

［4］马文蔚，周雨青，解希顺.物理学（第六版）下册［M］.北京：高等教育出版社，2014：8.

［5］张三慧.大学物理学（第三版）下册［M］.北京：清华大学出版社，2011.

热力学第二定律的两种教学思路比较*

李慧生 姚林红

By comparing two kinds of teaching ideas of the second law of thermodynamics，this paper finds a new teaching idea to analyze problems gradually.On one hand，this teaching idea can make students understand the second law of thermodynamics more profoundly and accept it more naturally；meanwhile，it also weaken the status of Clausius entropy，a difficult part，making this teaching idea more suitable for hierarchical teaching.

second law of thermodynamics；teaching idea；Clausius entropy；hierarchical teaching

G642文献标志码：A文章编号：2096-000X（2016）18-0089-02

2016年中北大学校基金（编号：110248-35140）

李慧生（1979-），男，山西太原，硕士，讲师，主要从事大学物理教学工作。