非平衡態(tài)熱力學(xué)理論在《物理化學(xué)》課程中的教學(xué)實(shí)踐

非平衡態(tài)熱力學(xué)理論在?物理化學(xué)?課程中的教學(xué)理論〔〕:

摘要：?物理化學(xué)?教學(xué)改革的理論中，在課程內(nèi)容安排上增加了非平衡態(tài)熱力學(xué)的講授內(nèi)容，有針對(duì)性地講解課程中所涉及的基于理想化模型和假想假設(shè)的簡化。通過這種改革嘗試，不僅可以使學(xué)生更加深化地掌握經(jīng)典熱力學(xué)的內(nèi)容和普適性，引發(fā)學(xué)生對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)無法解釋變化的考慮，解答學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑惑，還可以使學(xué)生理解學(xué)科前沿領(lǐng)域的新知識(shí)，增加知識(shí)儲(chǔ)藏，拓寬學(xué)術(shù)視野。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；非平衡態(tài)熱力學(xué)；教學(xué)改革

本文引用格式：呂宏光等.非平衡態(tài)熱力學(xué)理論在?物理化學(xué)?課程中的教學(xué)理論[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔31〕：158-159.

?物理化學(xué)?課程是化學(xué)的理論根底，它使用物理的方法、原理來研究化學(xué)中最根本的規(guī)律和理論，如化學(xué)變化的方向和限度問題，化學(xué)反響的機(jī)理和速率問題，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)與微觀狀態(tài)間的關(guān)系問題等【1】。這門課程理論性和邏輯性強(qiáng)，許多定理和概念都建立在理想化模型和假想假設(shè)的根底上，學(xué)生對(duì)此難以理解和承受。在理論教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)如何講解清楚這些定理和概念的提出為什么要基于理想化模型和假想假設(shè)的原因非常必要。在工業(yè)消費(fèi)和科學(xué)研究中，我們常常使用氣體，對(duì)它的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。其中，真實(shí)氣體模型和狀態(tài)方程較為復(fù)雜，在講授這局部內(nèi)容之前，我們深化細(xì)致地講解了相對(duì)簡單的理想氣體模型及其狀態(tài)方程。理想氣體模型在微觀上具有兩個(gè)特征：1〕分子間無互相作用，2〕分子本身不占有體積。正是這兩方面的特征使其區(qū)別于真實(shí)氣體，具有獨(dú)特的性質(zhì)和相對(duì)簡單的狀態(tài)方程。理想氣體的壓力和體積被理想化地忽略了，這不僅是基于客觀事實(shí)的簡化，更是為理解復(fù)雜真實(shí)氣體模型提供了一個(gè)可修正的簡單模型。在掌握了這局部內(nèi)容的根底上，再講解真實(shí)氣體模型和范德華方程，學(xué)生可以很好地理解通過引入修正項(xiàng)的方式來修正壓力和體積，從而獲得真實(shí)氣體范德華方程。在這局部學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以體會(huì)到如何從理想到真實(shí)，從簡單到復(fù)雜，從暫時(shí)忽略復(fù)雜項(xiàng)的簡化到結(jié)合特征差異的加以修正，更為重要的是學(xué)生可以領(lǐng)悟到建立理想化模型和假想假設(shè)的必要性和意義。

一教學(xué)改革內(nèi)容

距今160多年的19世紀(jì)中葉，熱力學(xué)第一、第二定律建立起來。20世紀(jì)初，能斯特建立的熱力學(xué)第三定律，完善了熱力學(xué)的根本理論。經(jīng)典熱力學(xué)將研究對(duì)象從周圍環(huán)境中隔離出來，以孤立體系為核心，用狀態(tài)函數(shù)來研究它的變化。這種簡化是高明的，使其可以更抽象，更簡單地研究過程。然而，經(jīng)典熱力學(xué)的理論和規(guī)律只適用于處于平衡態(tài)的孤立體系或封閉體系，而自然界中普遍存在的是非平衡態(tài)的敞開體系[2-5]。這種理想化的假設(shè)與現(xiàn)實(shí)研究對(duì)象的差異常常使學(xué)生難以承受。不僅如此，經(jīng)典熱力學(xué)局限在平衡態(tài)中，無法解釋化學(xué)中新出現(xiàn)的大量的非平衡態(tài)的體系。經(jīng)典熱力學(xué)研究的是宏觀物系的共性，其地位和作用是毋庸置疑和極為重要的。因此，我們應(yīng)該在講解清楚經(jīng)典熱力學(xué)理論的根底上，尤其是關(guān)于經(jīng)典熱力學(xué)如何解決能量轉(zhuǎn)換的問題以及判斷化學(xué)變化方向和限度的方法之后，再來簡介一些非平衡態(tài)熱力學(xué)的根本概念和原理。這局部內(nèi)容的引入，不僅可以使學(xué)生更加深化地掌握經(jīng)典熱力學(xué)的內(nèi)容，解答學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑惑，還可以拓寬學(xué)生的根底知識(shí)和學(xué)術(shù)眼界，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

〔一〕非平衡態(tài)熱力學(xué)

1969年，伊里亞-普里戈金提出了基于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)的耗散構(gòu)造理論。他指出，一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過不斷地與外界進(jìn)展物質(zhì)和能量交換，在外界條件變化到達(dá)一定閾值時(shí)，可以通過內(nèi)部的作用產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，使系統(tǒng)從原來的無序狀態(tài)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空上和功能上的宏觀有序狀態(tài)，形成新的、穩(wěn)定的有序構(gòu)造。這種非平衡態(tài)下的新的有序構(gòu)造就是耗散構(gòu)造。它以開放系統(tǒng)為研究對(duì)象，著重說明開放系統(tǒng)如何從無序走向有序的過程。在此理論的根底上，逐漸形成了非平衡態(tài)熱力學(xué)。由于對(duì)非平衡熱力學(xué)，尤其是建立耗散構(gòu)造理論方面的奉獻(xiàn)，普里戈金榮獲了1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

〔二〕課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)過程中，我們簡介了非平衡熱力學(xué)的理論。非平衡熱力學(xué)分為線性非平衡熱力學(xué)和非線性非平衡熱力學(xué)，用于解決在非平衡態(tài)敞開體系中如何判斷變化的方向和限度。著重強(qiáng)調(diào)在非平衡態(tài)的敞開體系中，變化是趨于有序的，變化的終點(diǎn)不是熱力學(xué)的平衡態(tài)，而是有序的穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定的構(gòu)造就是耗散構(gòu)造。而建立在孤立體系根底上的經(jīng)典熱力學(xué)認(rèn)為變化總是自發(fā)地趨于平衡，趨于無序的【6】。這兩者之間的不同需要進(jìn)一步向?qū)W生說明，這不是哪種理論孰對(duì)孰錯(cuò)的抉擇，而是不同研究模型，不同適用對(duì)象間的差異，也是科學(xué)不斷前進(jìn)，直面挑戰(zhàn)，解決問題的實(shí)例。經(jīng)典熱力學(xué)有意無意地將時(shí)間和空間的概念排除在外，在不考慮時(shí)間和空間的情況下，研究平衡態(tài)下的孤立體系。這種簡化是神來之筆，使經(jīng)典熱力學(xué)具有廣泛的適用性，它的成功是宏大和不容無視的。但是，在涉及時(shí)間和空間的情況下，這種簡化又是不可承受的。非平衡熱力學(xué)包含時(shí)空的概念，是對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)的完善和補(bǔ)充。

除此之外，要格外注意的是，非平衡熱力學(xué)的理論涉及諸多繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在理論教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生很難理解和掌握這些數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并且這些推導(dǎo)過程對(duì)于現(xiàn)階段只是想對(duì)這一理論簡單理解的學(xué)生并無更多好處。我們的重點(diǎn)是介紹非平衡熱力學(xué)的根本概念和原理，以及與經(jīng)典熱力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)絡(luò)，讓學(xué)生更好地掌握理解經(jīng)典熱力學(xué)，同時(shí)理解學(xué)科前沿領(lǐng)域的新知識(shí)，增加知識(shí)儲(chǔ)藏，拓寬學(xué)術(shù)視野。

〔三〕理論效果

針對(duì)在課堂教學(xué)中增加非平衡熱力學(xué)理論的講解是否進(jìn)步了教學(xué)效果，我們?cè)谒诎嗉?jí)開展了問卷調(diào)查。

問卷調(diào)查的題目是：非平衡熱力學(xué)理論的講授能否加深了你對(duì)熱力學(xué)理論的根本認(rèn)識(shí)？非平衡熱力學(xué)理論是否是對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)理論的補(bǔ)充和完善？針對(duì)性地講解課程中所涉及的基于理想化模型和假想假設(shè)的簡化，是否有助于你更好地理解定理和理論？

問卷調(diào)查結(jié)果是：教學(xué)班有三個(gè)班級(jí)組成，共104人，實(shí)際參加問卷調(diào)查的學(xué)生人數(shù)是92，95%的學(xué)生認(rèn)為非平衡熱力學(xué)理論的講授可以加深了他對(duì)熱力學(xué)理論的根本認(rèn)識(shí)，98%的學(xué)生認(rèn)為非平衡熱力學(xué)理論是對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)理論的補(bǔ)充和完善，97%的學(xué)生認(rèn)為有針對(duì)性地講解課程中所涉及的基于理想化模型和假想假設(shè)的簡化，有助于你更好地理解定理和理論。我們又統(tǒng)計(jì)了該專業(yè)2022級(jí)，2022級(jí)學(xué)生在?物理化學(xué)?上冊(cè)教學(xué)期間的期中考試成績〔此次考試的考試范圍只包括熱力學(xué)〕，2022級(jí)學(xué)生未參加此次教改，2022級(jí)學(xué)生參加此次教改。

期中考試統(tǒng)計(jì)如下表1所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在參加教改班級(jí)的考試成績中，80分以上的學(xué)生人數(shù)占比為40.8%，明顯高于未參加教改班級(jí)的32.6%，說明通過此次教學(xué)理論進(jìn)步了學(xué)生對(duì)于熱力學(xué)理論的學(xué)習(xí)效果。然而，不及格學(xué)生人數(shù)占比沒有明顯減少，這客觀地反映了學(xué)習(xí)熱力學(xué)理論的難度，也是今后繼續(xù)改革優(yōu)化教學(xué)理論環(huán)節(jié)的重要方向。

二結(jié)語

在此次教學(xué)改革活動(dòng)中，我們?cè)黾恿朔瞧胶鉄崃W(xué)理論的講授內(nèi)容，有針對(duì)性地講解課程中所涉及的基于理想化模型和假想假設(shè)的簡化。理論說明，通過這種改革嘗試，不僅可以使學(xué)生更加深化地掌握經(jīng)典熱力學(xué)的內(nèi)容和普適性，引發(fā)學(xué)生對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)無法解釋變化的考慮，解答學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑惑，還可以使學(xué)生理解學(xué)科前沿領(lǐng)域的新知識(shí)，增加知識(shí)儲(chǔ)藏，拓寬學(xué)術(shù)視野。

參考文獻(xiàn)

【1】朱志昂.物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革[J].大學(xué)化學(xué),2022,27(5):9-13.

【2】韓德剛,高執(zhí)棣,等.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2022.

【3】范康年.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2022.

【4】傅獻(xiàn)彩,沈文霞,等.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2022