楊科軍

在新課標(biāo)高中物理教材中，無論是側(cè)理類選修3-3，還是側(cè)文類的選修1-2，都有熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容出現(xiàn)，而且教材明確提出了熵的概念. 熱力學(xué)第二定律即使在大學(xué)普通物理中也是一塊艱澀的內(nèi)容，對于理解能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)尚有一定差距的高中學(xué)生來說，的確是一個難點(diǎn). 編者的意圖何在？作為教師該如何找準(zhǔn)教學(xué)的定位？

誠如天體和大氣物理學(xué)家埃姆頓所云：“在自然過程的龐大工廠里，熵原理起著經(jīng)理的作用，因?yàn)樗?guī)定著整個企業(yè)的運(yùn)營方式和方法，而能僅僅充當(dāng)簿記，平衡貸方和借方. ”熵這個概念的重要性不亞于能，它不僅應(yīng)用于對社會發(fā)展起到關(guān)鍵作用的熱科學(xué)領(lǐng)域，還廣泛地應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、低溫物理、化學(xué)動力學(xué)、生命科學(xué)和宇宙學(xué)，而且已經(jīng)延伸到諸如經(jīng)濟(jì)、社會、信息技術(shù)等領(lǐng)域. 從新課程應(yīng)充分體現(xiàn)時代性的理念來看，在高中物理中安排這塊內(nèi)容的確順理成章. 再從當(dāng)前人類面臨的社會問題看，幾乎可以這樣說，除了文化沖突和民族紛爭以外，人口、能源和環(huán)境是一切社會問題發(fā)生之源. 為了子孫后代的生存發(fā)展必須節(jié)約能源的觀點(diǎn)，保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)人類自身的意識，是本塊內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)的人文內(nèi)涵. 由于上述諸多因素，在本塊內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計中，應(yīng)體現(xiàn)定性優(yōu)于定量，人文性大于科學(xué)性的原則. 如何落實(shí)新課程所要求的三維教學(xué)目標(biāo)，充分體現(xiàn)本塊內(nèi)容的人文性呢？筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面入手.

一、運(yùn)用人文手段，理解、詮釋熱力學(xué)第二定律

實(shí)驗(yàn)手段、數(shù)學(xué)手段、邏輯手段等是屬于科學(xué)的手段，運(yùn)用比喻、典故、故事、成語俚語等可以說是人文手段. 在本塊內(nèi)容教學(xué)中，教師要盡量避開或者降低定量和邏輯推理要求，而以學(xué)生易于接受且能引起共鳴的一些人文方法，以加深對熱力學(xué)第二定律的理解.

克勞修斯指出：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，說明熱傳遞是有方向的. 如果我們在學(xué)生耳熟能詳?shù)某烧Z“水往低處流，人往高處走”后面添加一句“熱往低溫傳”，體現(xiàn)自然過程發(fā)生是有方向的，學(xué)生就覺得很好理解.

當(dāng)然，熱量從高溫物體向低溫物體散發(fā)，也存在一個流暢性的問題. 比如一個人熱得出汗了，要向周圍空間散發(fā)熱量，我們就希望周圍的空氣流動，以加快散發(fā)的速度. 我們地球持續(xù)地接收著太陽的輻射熱量，為了使地球的環(huán)境溫度穩(wěn)定在一個恰當(dāng)?shù)闹担捅仨毾蛑車臻g以紅外線的形式散發(fā)熱量. 以前這種接收和散發(fā)長時間維持在適當(dāng)?shù)谋壤?，使得地球上的生靈得以生存和發(fā)展，但近幾十年來由于二氧化碳的過量排放，它像一件保暖內(nèi)衣包裹著地球，使紅外線的外散輻射被抑制，結(jié)果導(dǎo)致溫室效應(yīng)，地球變暖，出現(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境問題. 如果不有效地控制二氧化碳的排放，物種滅絕的現(xiàn)象將愈演愈烈，生態(tài)環(huán)境越來越惡化. 以保暖內(nèi)衣比喻溫室效應(yīng)，顯得形象生動.

1986年8月在日本東京舉行的國際物理教學(xué)研究會上（ICPE），一位代表對“微觀過程是可逆的，宏觀過程是不可逆的”的物理現(xiàn)象作了一個比喻，好比兩條狗，一條黑狗上生滿了跳蚤 ，另一條黃狗是干凈的，兩條狗站在一起，跳蚤可以從黑狗身上跳到黃狗身上，當(dāng)然也可以再從黃狗身上跳回黑狗身上，跳蚤跳來跳去的過程相當(dāng)于微觀過程是可逆的，但最后無論是黃狗還是黑狗都不可能是干凈的，即從宏觀上看，跳蚤從黃狗身上完全跳回黑狗身上，使黃狗重新成為干凈這一宏觀的逆過程是不可能發(fā)生的，這一比喻形象生動，受到與會代表贊賞，“狗蚤回跳”，也成為了熱力學(xué)第二定律教學(xué)案例的一個典故.

二、體現(xiàn)人文價值，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能環(huán)保方面的正確價值觀和社會責(zé)任感

如果說科學(xué)的第一要義是求真，那么人文的第一要義是求善. 通過熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理性地認(rèn)識到能量是一切物質(zhì)運(yùn)動的源泉，是一切生命活動的基礎(chǔ). 能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是具有方向性的，人們的一切生產(chǎn)、生命活動中，都在把機(jī)械能、電能、核能、生物能……概而言之一句話，把千古積累的和正在接收到的太陽能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，把有序度大的能量變成無序度大的能量，即能量耗散. 隨著能量的耗散，能量從高品質(zhì)轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)，雖然能量不會減少但能源卻越來越少. 化石能源不但資源有限，而且對環(huán)境造成很大的破壞.

學(xué)生只有通過對于能量耗散和環(huán)境破壞原因的深刻理解，才能逐漸自覺樹立節(jié)能環(huán)保的責(zé)任意識，并轉(zhuǎn)化成自覺行動和良好習(xí)慣. 你今天開車燒掉了10升汽油，地球的資源就減少了10升. 全世界的人合起來，就是一個龐大的數(shù)字. 反過來同樣是一個巨大的數(shù)字，若每一個人日常生活中節(jié)約一點(diǎn)，那么對全球能源應(yīng)用的意義同樣重大. 從另一個角度看，還應(yīng)該開發(fā)新能源，如太陽能，你使用太陽能熱水器洗一個澡，單純地從成本核算看，可能并不比電熱器省，或者說也完全可以負(fù)擔(dān)得起，但從節(jié)能環(huán)保的角度看，卻完全是兩碼事. 因此從人文教育的角度審視，通過本塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，應(yīng)該使學(xué)生們從小就被要求養(yǎng)成的一些良好習(xí)慣，諸如隨手關(guān)燈的習(xí)慣，盡量少開空調(diào)的習(xí)慣，節(jié)約一張紙的習(xí)慣等等，提升到理性的高度.

三、挖掘人文意蘊(yùn)，在學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律過程中領(lǐng)略物理美

在奧地利物理學(xué)家玻耳茲曼的墓碑上，鐫刻著這樣的碑文：

S=KlnW

這正是定量表示熵S和微觀態(tài)數(shù)W之間關(guān)系的玻耳茲曼公式，其中K就是著名的玻耳茲曼常數(shù). 這個公式閃爍著物理大師的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)的智慧之美，而這塊雕刻著公式的墓碑更閃爍著后人尊重科學(xué)尊重大師的人文之美.

我們學(xué)習(xí)過的物理定律和定理，一般都有法定的嚴(yán)密的邏輯表達(dá)形式，可是學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，教材中熱力學(xué)第二定律有好幾種表達(dá). 德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年指出：熱量不可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；英國物理學(xué)家開爾文于1851年在分析了熱機(jī)及其他涉及做功的熱學(xué)過程后指出：不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響；從微觀的角度也可以這樣表達(dá)：一切自然過程總是沿著分子運(yùn)動無序性增大的方向進(jìn)行；還有一種比較專業(yè)的表達(dá)：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少，所以把熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理；在氣體對真空膨脹的過程中又表述為“氣體向真空的膨脹是不可逆的”：甚至在化學(xué)里被表述為“自發(fā)的化學(xué)過程總是朝著釋放熱量或無序程度增加的方向進(jìn)行”等等.

物理學(xué)的理論體系呈現(xiàn)高度的和諧美、統(tǒng)一美和簡潔美. 上述幾種表述和諧統(tǒng)一互通，最終以熵增原理簡潔而完美地表達(dá)，正是物理美的體現(xiàn). 正如宋代詩人蘇軾描繪廬山詩中所云：“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同. ”熱力學(xué)第二定律如同一座雄偉秀美的山川，多角度的表述，正是其豐富而深刻的內(nèi)涵和物理學(xué)家們?yōu)檎J(rèn)識客觀世界而付出的創(chuàng)造性勞動的體現(xiàn).

四、拓展人文視角，注重與相關(guān)學(xué)科的交叉綜合

在生物學(xué)中，生物進(jìn)化過程意味著從低級向高級，從無序到有序. 而熱力學(xué)第二定律指出自然過程從有序到無序. 二者是否矛盾？

其實(shí)，根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，有機(jī)體作為一個開放的耗散結(jié)構(gòu)，它的產(chǎn)生既要靠外界不斷提供物質(zhì)和能量，還必須要向這個開放系統(tǒng)提供“負(fù)熵流”，也就是輸入系統(tǒng)的熵必須小于輸出的熵，系統(tǒng)有凈熵輸出. 對于動物來說，生命攸關(guān)的低熵物質(zhì)有兩類：低熵高能的食物（如碳水化合物）和低熵低能的凈液態(tài)水，排出的高熵物質(zhì)如二氧化碳、水汽、尿、汗和其他排泄物. 如圖1，正是有機(jī)體作為開放系統(tǒng)自身熵的不斷減少，導(dǎo)致生物體從無序向有序的進(jìn)化. 熱力學(xué)第二定律和生物進(jìn)化論，同屬19世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)，得到很好的統(tǒng)一.

在高中化學(xué)中，其教學(xué)進(jìn)度先于物理就出現(xiàn)了“焓變”和“熵變”的概念. 用焓變的正負(fù)、大小來描述化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的能量狀態(tài)改變情況. 如果能量狀態(tài)降低，則焓變就能夠自發(fā)地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其焓變值越大，就標(biāo)志釋放的熱量越多，反應(yīng)進(jìn)行得越徹底；用熵變的正負(fù)、大小來描述化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的無序程度，如果無序程度增大則熵變,就能夠自發(fā)地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，熵變越大，越有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行. 在2009年浙江省高考自選模塊的調(diào)測卷中，有一個其中選項(xiàng)為“一杯30℃的水放在空氣中，溫度慢慢降到10℃，這杯水的熵增加”的選擇題，許多物理老師想當(dāng)然地認(rèn)為自發(fā)的熱傳遞過程熵必定增加，這完全符合熱力學(xué)定律，錯誤地選取了這個選項(xiàng)，而學(xué)生卻多能從化學(xué)的角度出發(fā)，認(rèn)為這杯水的溫度降低，分子熱運(yùn)動的有序度變好，所以它的熵是減少的. 這里從物理的角度講，是沒有注意到“孤立系統(tǒng)”的前提，應(yīng)該是這杯水的熵減少，環(huán)境空氣的熵增加，這杯水和環(huán)境空氣組成的孤立系統(tǒng)的熵增加.

在高中地理教學(xué)中非常強(qiáng)調(diào)能源問題和環(huán)境問題，在政治經(jīng)濟(jì)學(xué)中，也多次討論能源和環(huán)境. 如其各自為政，孤軍作戰(zhàn)，不如相互聯(lián)系，相互穿插，綜合性地解決問題，這樣可以大大提高教學(xué)的有效性，有利于學(xué)生人文素質(zhì)和綜合能力的提高.