非平衡态热力学理论在物理化学的实践 本文关键词：物理化学，热力，平衡，实践，学理论
非平衡态热力学理论在物理化学的实践 本文简介：摘要：《物理化学》教学改革的实践中，在课程内容安排上增加了非平衡态热力学的讲授内容，有针对性地讲解课程中所涉及的基于理想化模型和假想假设的简化。通过这种改革尝试，不仅可以使学生更加深入地掌握经典热力学的内容和普适性，引发学生对经典热力学无法解释变化的思考，解答学习过程中产生的疑惑，还可以使学生了解学
非平衡态热力学理论在物理化学的实践 本文内容：
摘要：《物理化学》教学改革的实践中，在课程内容安排上增加了非平衡态热力学的讲授内容，有针对性地讲解课程中所涉及的基于理想化模型和假想假设的简化。通过这种改革尝试，不仅可以使学生更加深入地掌握经典热力学的内容和普适性，引发学生对经典热力学无法解释变化的思考，解答学习过程中产生的疑惑，还可以使学生了解学科前沿领域的新知识，增加知识储备，拓宽学术视野。
关键词：物理化学；非平衡态热力学；教学改革
《物理化学》课程是化学的理论基础，它使用物理的方法、原理来研究化学中最基本的规律和理论，如化学变化的方向和限度问题，化学反应的机理和速率问题，系统的宏观性质与微观状态间的关系问题等[1]。这门课程理论性和逻辑性强，许多定理和概念都建立在理想化模型和假想假设的基础上，学生对此难以理解和接受。在实践教学中，我们发现如何讲解清楚这些定理和概念的提出为什么要基于理想化模型和假想假设的原因十分必要。在工业生产和科学研究中，我们常常使用气体，对它的研究具有重要的理论和实际意义。其中，真实气体模型和状态方程较为复杂，在讲授这部分内容之前，我们深入细致地讲解了相对简单的理想气体模型及其状态方程。理想气体模型在微观上具有两个特征：1）分子间无相互作用，2）分子本身不占有体积。正是这两方面的特征使其区别于真实气体，具有独特的性质和相对简单的状态方程。理想气体的压力和体积被理想化地忽略了，这不仅是基于客观事实的简化，更是为理解复杂真实气体模型提供了一个可修正的简单模型。在掌握了这部分内容的基础上，再讲解真实气体模型和范德华方程，学生可以很好地理解通过引入修正项的方式来修正压力和体积，从而获得真实气体范德华方程。在这部分学习过程中，学生能够体会到如何从理想到真实，从简单到复杂，从暂时忽略复杂项的简化到结合特征差别的加以修正，更为重要的是学生可以领悟到建立理想化模型和假想假设的必要性和意义。
一教学改革内容
距今160多年的19世纪中叶，热力学第一、第二定律建立起来。20世纪初，能斯特建立的热力学第三定律，完善了热力学的基本理论。经典热力学将研究对象从周围环境中隔离出来，以孤立体系为核心，用状态函数来研究它的变化。这种简化是高明的，使其可以更抽象，更简单地研究过程。然而，经典热力学的理论和规律只适用于处于平衡态的孤立体系或封闭体系，而自然界中普遍存在的是非平衡态的敞开体系[2-5]。这种理想化的假设与现实研究对象的差异常常使学生难以接受。不仅如此，经典热力学局限在平衡态中，无法解释化学中新出现的大量的非平衡态的体系。经典热力学研究的是宏观物系的共性，其地位和作用是毋庸置疑和极为重要的。因此，我们应该在讲解清楚经典热力学理论的基础上，尤其是关于经典热力学如何解决能量转换的问题以及判断化学变化方向和限度的方法之后，再来简介一些非平衡态热力学的基本概念和原理。这部分内容的引入，不仅可以使学生更加深入地掌握经典热力学的内容，解答学习过程中产生的疑惑，还可以拓宽学生的基础知识和学术眼界，有利于培养创新人才。
（一）非平衡态热力学
1969年，伊里亚·普里戈金提出了基于远离平衡态的开放系统的耗散结构理论。他指出，一个远离平衡态的开放系统通过不断地与外界进行物质和能量交换，在外界条件变化达到一定阈值时，可以通过内部的作用产生自组织现象，使系统从原来的无序状态自发地转变为时空上和功能上的宏观有序状态，形成新的、稳定的有序结构。这种非平衡态下的新的有序结构就是耗散结构。它以开放系统为研究对象，着重阐明开放系统如何从无序走向有序的过程。在此理论的基础上，逐渐形成了非平衡态热力学。由于对非平衡热力学，尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，普里戈金荣获了1977年诺贝尔化学奖。
（二）课堂教学
在课堂教学过程中，我们简介了非平衡热力学的理论。非平衡热力学分为线性非平衡热力学和非线性非平衡热力学，用于解决在非平衡态敞开体系中如何判断变化的方向和限度。着重强调在非平衡态的敞开体系中，变化是趋于有序的，变化的终点不是热力学的平衡态，而是有序的稳定态，这种稳定的结构就是耗散结构。而建立在孤立体系基础上的经典热力学认为变化总是自发地趋于平衡，趋于无序的[6]。这两者之间的不同需要进一步向学生说明，这不是哪种理论孰对孰错的抉择，而是不同研究模型，不同适用对象间的差异，也是科学不断前进，直面挑战，解决问题的实例。经典热力学有意无意地将时间和空间的概念排除在外，在不考虑时间和空间的情况下，研究平衡态下的孤立体系。这种简化是神来之笔，使经典热力学具有广泛的适用性，它的成功是巨大和不容忽视的。但是，在涉及时间和空间的情况下，这种简化又是不可接受的。非平衡热力学包含时空的概念，是对经典热力学的完善和补充。除此之外，要格外注意的是，非平衡热力学的理论涉及诸多繁琐的数学推导，在实践教学过程中发现，学生很难理解和掌握这些数学推导，并且这些推导过程对于现阶段只是想对这一理论简单了解的学生并无更多益处。我们的重点是介绍非平衡热力学的基本概念和原理，以及与经典热力学的区别和联系，让学生更好地掌握理解经典热力学，同时了解学科前沿领域的新知识，增加知识储备，拓宽学术视野。
（三）实践效果
针对在课堂教学中增加非平衡热力学理论的讲解是否提高了教学效果，我们在所在班级开展了问卷调查。问卷调查的题目是：非平衡热力学理论的讲授能否加深了你对热力学理论的基本认识？非平衡热力学理论是否是对经典热力学理论的补充和完善？针对性地讲解课程中所涉及的基于理想化模型和假想假设的简化，是否有助于你更好地理解定理和理论？问卷调查结果是：教学班有三个班级组成，共104人，实际参加问卷调查的学生人数是92，95%的学生认为非平衡热力学理论的讲授能够加深了他对热力学理论的基本认识，98%的学生认为非平衡热力学理论是对经典热力学理论的补充和完善，97%的学生认为有针对性地讲解课程中所涉及的基于理想化模型和假想假设的简化，有助于你更好地理解定理和理论。我们又统计了该专业2015级，2016级学生在《物理化学》上册教学期间的期中考试成绩（此次考试的考试范围只包括热力学），2015级学生未参加此次教改，2016级学生参加此次教改。期中考试统计如下表1所示，结果发现，在参加教改班级的考试成绩中，80分以上的学生人数占比为40.8%，明显高于未参加教改班级的32.6%，说明通过此次教学实践提高了学生对于热力学理论的学习效果。然而，不及格学生人数占比没有明显减少，这客观地反映了学习热力学理论的难度，也是今后继续改革优化教学实践环节的重要方向。
二结语
在此次教学改革活动中，我们增加了非平衡热力学理论的讲授内容，有针对性地讲解课程中所涉及的基于理想化模型和假想假设的简化。实践表明，通过这种改革尝试，不仅可以使学生更加深入地掌握经典热力学的内容和普适性，引发学生对经典热力学无法解释变化的思考，解答学习过程中产生的疑惑，还可以使学生了解学科前沿领域的新知识，增加知识储备，拓宽学术视野。
参考文献
[1]朱志昂.物理化学课程教学内容和教学方法的改革[J].大学化学,2012,27(5):9-13.
[2]韩德刚,高执棣,等.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2001.
[3]范康年.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2005.
[4]傅献彩,沈文霞,等.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5]刘俊吉,周亚平,等.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2009.
[6]彭笑刚.物理化学讲义[M].北京:高等教育出版社,2012.
[7]高庆生.物理化学实验教学改革的思考[J].教育现代化,2018,5(22):68-69.
作者：吕宏光 赵晓伟 王秋生 廖圣云 单位：天津理工大学
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