關于熱力學中“可逆”概念的思考

[摘 要] 無機化學是化學的重要分支，也是分析化學、有機化學、物理化學等課程的基礎。學習無機化學課程的學生通常為大一年級的新生，無機化學中有些知識點對于大一新生來講，非常晦澀，難以理解。本文就無機化學中的“可逆”概念結合熱力學第二定律進行了探討，從“熵”的角度剖析“可逆”的概念，有助于學生深入理解“可逆”的概念。

[關鍵詞] 無機化學;可逆;熱力學第二定律

[基金項目] 內蒙古師范大學引進高層次人才科研啟動項目“長程相互作用在金屬內嵌富勒烯理論模擬中的影響研究”（2018YJRC009）

[作者簡介] 趙瑞生（1987—），男（蒙古族），內蒙古呼和浩特人，工學博士，內蒙古師范大學化學與環境科學學院講師，主要從事計算化學研究。

[中圖分類號] O611.5 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）39-0253-04 ? ?[收稿日期] 2019-11-22

無機化學是化學學科的重要分支，也是化學學科的基礎課程。據筆者調研結果，我國絕大多數化學、應用化學、化工、生物、環境工程、文物保護、藥學等專業均開設了無機化學課程。無機化學課程內容繁雜，理論性較強，對于剛從高中升入大學的大一學生而言，無機化學的學習是一個很大的挑戰，如果學生對無機化學中的某些重要知識點學習方法不當，容易對所學課程產生排斥心理，影響整個大學階段的學習。無機化學課程大致分為兩大部分，第一部分為普通化學原理，這部分內容主要包括化學熱力學、化學平衡和化學動力學初步、原子、分子、晶體結構和配位化合物結構、酸堿解離平衡、沉淀溶解平衡、配位解離平衡、氧化還原反應;第二部分內容為元素化學，包括IA～VIIA族、零族、IB族，IIB族，IVB～VIIB族、VIII族、IIIB族、鑭系、錒系元素的單質和化合物的物理和化學性質、制備合成方法以及元素單質及化合物的相關的應用。其中第一部分內容的特點是理論性強，學生學習的難點是理論知識的理解;而第二部分內容的特點是內容繁雜，學生學習的難點在于對眾多知識點的記憶。

下面筆者將對無機化學中“可逆”的概念進行一些探討，因為據筆者發現，很多學生容易對無機化學中的“可逆”概念產生誤解。筆者認為，對“可逆”概念的理解和學習，不應當局限于教材中的內容，學生需要結合實例深入分析，甚至結合熱力學第二定律來理解“可逆”的概念[1，2]。

一、無機化學中“可逆”概念

這是現在教材對氣體恒溫膨脹過程的描述。筆者認為，教材對恒溫膨脹過程的描述存在兩方面的不足，其一：氣體恒溫膨脹過程，只是以p-V圖來描述，缺乏更為形象的描述，這就造成了學生對恒溫膨脹過程的理解困難;其二：沒有對恒溫膨脹的逆過程進行描述。

所經的平衡次數越多，膨脹過程中，氣體對外界所做的功越大，壓縮過程中，外界對氣體所做的功越小。運用數學中極限的思想，將砝碼換成沙粒，氣體恒溫膨脹的過程中，外界壓強的減小無限的小，p-V圖如圖1e所示，膨脹過程中，氣體對外界所做的功為1600。壓縮過程中的p-V圖如圖1e所示，因為外界壓強的變化非常慢，可以看出圖1e與3e是相同的，壓縮過程中，外界對氣體所做的功也為1600。也就是說，膨脹過程與壓縮過程是互逆的。因此，只有當外界壓強的變化趨于無限小時，理想氣體的恒溫膨脹過程才是可逆過程。筆者認為，教師在講授理想氣體恒溫膨脹的過程，應結合數學中的極限思想，和積分思想，進而幫助學生從本質上理解可逆過程。此外，理想氣體的恒溫膨脹和恒溫壓縮過程可以通過多媒體制作動畫輔助教學，幫助學生更形象的理解理想氣體的恒溫膨脹和恒溫壓縮過程。

“可逆”是一個普適性概念，而氣體的恒溫膨脹只是一個范例。那么拋開氣體的恒溫膨脹這一范例，什么樣的過程才是“可逆”的呢？有些教材對“可逆”過程給出了定義，某一系統經過某一過程，由狀態（1）變到狀態（2）之后，如果能使系統和環境都完全復原（即系統回到原來的狀態，同時消除了原來過程對環境所產生的一切影響，環境也復原），則這樣的過程就稱為可逆過程。那么問題來了，如何判斷系統由狀態（1）變為狀態（2）之后，系統和環境能否得到復原。這也是困擾著很多學生的一個問題。

二、熱力學第二定律

筆者認為，要深入理解“可逆”過程，必須結合熱力學第二定律，從熱力學第二定律的角度來理解。熱力學第二定律有兩種表述方式（Clausius和Kelvin的說法），Clausius的說法為，“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化”;Kelvin的說法為，“不可能從單一熱源取出熱使之完全變為功，而不發生其他的變化”。通常，一個過程的發生，往往伴隨著能量的轉化，而能量存在的方式，是由優劣之分的。熱力學第二定律的本質，規定了能量傳遞的方向，具體來說，就是能量只能從“優”的形式向“劣”的形式轉變。Clausius說法中的“高溫物體”就是“優”的形式，而“低溫物體”就是“劣”的形式，熱只能自發的從“優”的形式（即高溫物體）傳向“劣”的形式（即低溫物體）。Kelvin的說法中，“功”就是“優”的形式，“熱”就是“劣”的形式。具體到化學問題，還應考慮熵的變化情況。如果一個過程為可逆過程，伴隨著這個過程的能量轉換應沒有“優”“劣”的變化，沒有熵的改變，或者這個過程進行的速度非常的慢，即為準靜態過程，“準靜態”過程可以認為是“可逆”過程[4]。

三、“可逆”概念的應用

現實中的過程都是不可逆的，現實中的過程進行的速度不可能絕對的慢，即達不到準靜態過程的要求。可逆過程是一種理想中的抽象，有著重要的理論意義。當正反兩個方向的速率相等時的過程，可以近似認為是一個可逆過程。例如，固體在熔點時的熔化，液體在沸點時的蒸發。此外，系統在無限接近相平衡條件下的相變過程是可逆相變，在100 ℃時水的飽和蒸氣壓為101.325 kPa，這樣在100 ℃時，101.325 kPa的水的蒸汽與同樣溫度、壓力下的水就處于平衡。如果蒸汽壓強減小到無限小，或水溫降低到無限小，則兩相間的平衡均將遭到破壞。前者導致水的蒸發，后者導致水的凝結。

四、結論

“可逆”是無機化學中重要的概念，但是，學生從“可逆”的定義上，往往難以理解“可逆”的概念。因此，教師講授“可逆”，需結合數學中的極限和積分思想和熱力學第二定律，幫助學生從本質上理解“可逆”的概念。此外，教師可以借助多媒體手段，幫助學生更形象的理解可逆過程。

參考文獻

[1]吐爾遜尼沙·吾買爾.化學反應的可逆過程與教學研究[J].中國科技財富，2012（10）：418.

[2]臧雙全，王建設，韋永麗，等.大學無機化學教學改革的探索與實踐[J].大學化學，2012（27）：33-35.

[3]宋天佑，程鵬，徐家寧，等.無機化學[M].高等教育出版社，北京：2018：66-69.

[4]傅獻彩.物理化學[M].北京：高等教育出版社，2005：134-146.