关于热力学中“可逆”概念的思考

[摘 要] 无机化学是化学的重要分支，也是分析化学、有机化学、物理化学等课程的基础。学习无机化学课程的学生通常为大一年级的新生，无机化学中有些知识点对于大一新生来讲，非常晦涩，难以理解。本文就无机化学中的“可逆”概念结合热力学第二定律进行了探讨，从“熵”的角度剖析“可逆”的概念，有助于学生深入理解“可逆”的概念。

[关键词] 无机化学;可逆;热力学第二定律

[基金项目] 内蒙古师范大学引进高层次人才科研启动项目“长程相互作用在金属内嵌富勒烯理论模拟中的影响研究”（2018YJRC009）

[作者简介] 赵瑞生（1987—），男（蒙古族），内蒙古呼和浩特人，工学博士，内蒙古师范大学化学与环境科学学院讲师，主要从事计算化学研究。

[中图分类号] O611.5    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）39-0253-04    [收稿日期] 2019-11-22

无机化学是化学学科的重要分支，也是化学学科的基础课程。据笔者调研结果，我国绝大多数化学、应用化学、化工、生物、環境工程、文物保护、药学等专业均开设了无机化学课程。无机化学课程内容繁杂，理论性较强，对于刚从高中升入大学的大一学生而言，无机化学的学习是一个很大的挑战，如果学生对无机化学中的某些重要知识点学习方法不当，容易对所学课程产生排斥心理，影响整个大学阶段的学习。无机化学课程大致分为两大部分，第一部分为普通化学原理，这部分内容主要包括化学热力学、化学平衡和化学动力学初步、原子、分子、晶体结构和配位化合物结构、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、配位解离平衡、氧化还原反应;第二部分内容为元素化学，包括IA～VIIA族、零族、IB族，IIB族，IVB～VIIB族、VIII族、IIIB族、镧系、锕系元素的单质和化合物的物理和化学性质、制备合成方法以及元素单质及化合物的相关的应用。其中第一部分内容的特点是理论性强，学生学习的难点是理论知识的理解;而第二部分内容的特点是内容繁杂，学生学习的难点在于对众多知识点的记忆。

下面笔者将对无机化学中“可逆”的概念进行一些探讨，因为据笔者发现，很多学生容易对无机化学中的“可逆”概念产生误解。笔者认为，对“可逆”概念的理解和学习，不应当局限于教材中的内容，学生需要结合实例深入分析，甚至结合热力学第二定律来理解“可逆”的概念[1，2]。

一、无机化学中“可逆”概念

这是现在教材对气体恒温膨胀过程的描述。笔者认为，教材对恒温膨胀过程的描述存在两方面的不足，其一：气体恒温膨胀过程，只是以p-V图来描述，缺乏更为形象的描述，这就造成了学生对恒温膨胀过程的理解困难;其二：没有对恒温膨胀的逆过程进行描述。

所经的平衡次数越多，膨胀过程中，气体对外界所做的功越大，压缩过程中，外界对气体所做的功越小。运用数学中极限的思想，将砝码换成沙粒，气体恒温膨胀的过程中，外界压强的减小无限的小，p-V图如图1e所示，膨胀过程中，气体对外界所做的功为1600。压缩过程中的p-V图如图1e所示，因为外界压强的变化非常慢，可以看出图1e与3e是相同的，压缩过程中，外界对气体所做的功也为1600。也就是说，膨胀过程与压缩过程是互逆的。因此，只有当外界压强的变化趋于无限小时，理想气体的恒温膨胀过程才是可逆过程。笔者认为，教师在讲授理想气体恒温膨胀的过程，应结合数学中的极限思想，和积分思想，进而帮助学生从本质上理解可逆过程。此外，理想气体的恒温膨胀和恒温压缩过程可以通过多媒体制作动画辅助教学，帮助学生更形象的理解理想气体的恒温膨胀和恒温压缩过程。

“可逆”是一个普适性概念，而气体的恒温膨胀只是一个范例。那么抛开气体的恒温膨胀这一范例，什么样的过程才是“可逆”的呢？有些教材对“可逆”过程给出了定义，某一系统经过某一过程，由状态（1）变到状态（2）之后，如果能使系统和环境都完全复原（即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程对环境所产生的一切影响，环境也复原），则这样的过程就称为可逆过程。那么问题来了，如何判断系统由状态（1）变为状态（2）之后，系统和环境能否得到复原。这也是困扰着很多学生的一个问题。

二、热力学第二定律

笔者认为，要深入理解“可逆”过程，必须结合热力学第二定律，从热力学第二定律的角度来理解。热力学第二定律有两种表述方式（Clausius和Kelvin的说法），Clausius的说法为，“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化”;Kelvin的说法为，“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化”。通常，一个过程的发生，往往伴随着能量的转化，而能量存在的方式，是由优劣之分的。热力学第二定律的本质，规定了能量传递的方向，具体来说，就是能量只能从“优”的形式向“劣”的形式转变。Clausius说法中的“高温物体”就是“优”的形式，而“低温物体”就是“劣”的形式，热只能自发的从“优”的形式（即高温物体）传向“劣”的形式（即低温物体）。Kelvin的说法中，“功”就是“优”的形式，“热”就是“劣”的形式。具体到化学问题，还应考虑熵的变化情况。如果一个过程为可逆过程，伴随着这个过程的能量转换应没有“优”“劣”的变化，没有熵的改变，或者这个过程进行的速度非常的慢，即为准静态过程，“准静态”过程可以认为是“可逆”过程[4]。

三、“可逆”概念的应用

现实中的过程都是不可逆的，现实中的过程进行的速度不可能绝对的慢，即达不到准静态过程的要求。可逆过程是一种理想中的抽象，有着重要的理论意义。当正反两个方向的速率相等时的过程，可以近似认为是一个可逆过程。例如，固体在熔点时的熔化，液体在沸点时的蒸发。此外，系统在无限接近相平衡条件下的相变过程是可逆相变，在100 ℃时水的饱和蒸气压为101.325 kPa，这样在100 ℃时，101.325 kPa的水的蒸汽与同样温度、压力下的水就处于平衡。如果蒸汽压强减小到无限小，或水温降低到无限小，则两相间的平衡均将遭到破坏。前者导致水的蒸发，后者导致水的凝结。

四、结论

“可逆”是无机化学中重要的概念，但是，学生从“可逆”的定义上，往往难以理解“可逆”的概念。因此，教师讲授“可逆”，需结合数学中的极限和积分思想和热力学第二定律，帮助学生从本质上理解“可逆”的概念。此外，教师可以借助多媒体手段，帮助学生更形象的理解可逆过程。

参考文献

[1]吐尔逊尼沙·吾买尔.化学反应的可逆过程与教学研究[J].中国科技财富，2012（10）：418.

[2]臧双全，王建设，韦永丽，等.大学无机化学教学改革的探索与实践[J].大学化学，2012（27）：33-35.

[3]宋天佑，程鹏，徐家宁，等.无机化学[M].高等教育出版社，北京：2018：66-69.

[4]傅献彩.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2005：134-146.