Методические особенности темы «Законы термодинамики. Тепловые двигатели» с применением компьютерных технологий

Трудно дать методические рекомендации по поводу введения энтропии в школьном курсе, следуя которым можно сделать понимание этой функции состояния более ясным. Сложность понимания энтропии связана с невозможностью ее непосредственного восприятия и отсутствием прибора, который бы измерял энтропию, как, например, измеряют температуру.

Термодинамика, в силу феноменологического характера, не может вскрыть физический смысл энтропии. Эту задачу решает статистическая физика.

По-видимому, наиболее доступным вариантом введения энтропии в школьном курсе является тот, который рассмотрен в теоретической части курса и следует из обобщения утверждений теоремы Карно для произвольного цикла.

Вводя понятие энтропии, следует проводить аналогию с введением понятия внутренней энергии при формулировке первого начала термодинамики. Введению энтропии должно предшествовать введение понятия приведенной теплоты. Далее следует отметить, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое приведенная теплота не зависит от пути перехода, а сумма проведенных количеств теплоты системы, совершающей круговой процесс, равна нулю. Это значит, что приведенная теплота равна изменению некоторого свойства системы, которое и было названо энтропией.

В школьной аудитории вывод о возрастании энтропии при необратимых процессах проще всего сделать при рассмотрении конкретного необратимого процесса. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя различно нагретыми телами с температурами и (пусть ). Более нагретое тело отдает количество теплоты -, менее нагретое получает количество теплоты +. Изменение энтропии более нагретого тела равно , менее нагретого . Изменение энтропии системы в целом равно алгебраической сумме изменений энтропии каждого тела:

.

В результате теплообмена между различно нагретыми телами энтропия системы возрастает (, то есть ). Таким образом, энтропия вводится вторым началом. В формулировке А. Зоммерфельда оно звучит так: "Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом порции теплоты, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных процессах энтропия замкнутой системы возрастает".

Итак, термодинамика вводит энтропию формально, не вскрывая ее физического смысла и не устанавливая связи с внутренними молекулярными свойствами системы. Только статистическая физика, изучая тепловые явления на основе представлений о свойствах молекул и закономерностях их движения, вскрывает физический смысл энтропии и природу необратимости, устанавливая связь между энтропией и термодинамической вероятностью.

Наиболее доступным вариантом введения понятия термодинамической вероятности, по-видимому, является рассмотрение конкретного примера о распределении молекул газа по частям сосуда. Этот пример должен убедить учащихся в том, что равномерное распределение молекул реализуется наибольшим числом способов. На основании рассмотренного примера следует сделать вывод, что термодинамическая вероятность состояния - это число способов (число микросостояний), с помощью которых можно реализовать данное макросостояние.

Термодинамика утверждает, что любая система, будучи предоставлена сама себе, приходит в состояние равновесия, в котором энтропия системы достигает своего максимального значения. Физически это означает, что в состоянии равновесия система обладает максимально возможным числом микросостояний, с помощью которых реализуется данное макросостояние. Таким образом, равновесное состояние системы является наиболее вероятным.

Подробно о педагогике:

Модели построения распределенных систем непрерывного образования
Современное состояние общества таково, что персонал практически любого предприятия должен постоянно повышать свою компетентность. Таким образом, должен реализовываться принцип «образование – через всю жизнь». Очевидно, что занятое население не всегда имеет возможность физически присутствовать в уче ...

Учебные пособия по развитию математических способностей
В настоящее время разработаны логико-математические игры для детей старшего дошкольного возрастов. Началом их создания следует признать теоретические и методические разработки преподавателей педагогического института г. Могилева: Р.Ф.Соболевского, А.А.Столяра, Н.И.Касабуцкого, Г.Н.Скоблева и др. Им ...

Неформальные объединения молодежи
Субкультура молодёжи формируется под непосредственным воздействием культуры «взрослых. Формальная молодёжная культура (по определению) базируется на ценностях массовой культуры, целях государственной социальной политики и официальной идеологии. Неформальные объединения - это явление массовое. Ради ...