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:
Понятие и сущность рейтингового контроля
Рейтинговый контроль – одно из современных направлений, широко внедряемое и исследуемое в педагогике. Обратимся к исследованию его сущности и содержания. Рейтинг выражает в баллах качество учебной работы учащегося и, в определенном смысле, характеризует качество подготавливаемого рабочего. Вместе с ...
Физкультурное занятие как основная форма организации обучения физическим
упражнениям
Физкультурное занятие - это ведущая форма организованного, систематического обучения детей двигательным умениям и навыкам. Эта форма работы является ведущей для формирования правильных двигательных умений и навыков, создает благоприятные условия для усвоения общих положений, содействуют развитию ра ...
Роль наглядных пособий при формировании лексических
навыков у учащихся 3-х классов
Наглядность есть такой целенаправленный и специально организованный показ учебного материала, который подсказывает учащимся законы изучаемого явления, в данном случае языка – позволяет творчески открыть эти законы или убедиться в их достоверности. С помощью предметных картинок и тематических картин ...