熵概念的解读和导学

熵概念的解读和导学
我们知道有些化学反应能发生，而另一些化学反应却不能发生，这是为什么呢？为什么一些化学反应当只有很少一点生成物产生时就达到了平衡，而另一些化学反应却实际上是完全反应了。要弄清以上的问题，需要热力学的知识——特别是应用能与熵的概念和热力学第一定律、第二定律来解释。《化学》新教材选修《化学反应原理》模块第2章《化学反应的方向、限度与速率》在学习“化学反应的方向”时引入了熵的概念。有相当多的学生在学习中认为熵是一个是很枯燥的和比较难的并令人害怕的词，它给人一个既抽象又难以理解的印象。那么我们怎样来理解熵的概念及其意义呢？
熵的概念最初是德国物理学家鲁道尔夫.克劳修斯提出的，它揭示了热传递的不可逆性：热能总是自发地从高温热源向低温热源流动，而不能相反。现在我们可以对熵这个概念这样来理解：每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们就会得到一定的惩罚，这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。熵的增加意味着我们的有效能量在减少，随着熵值增大，物质和能量的集中程度降低而出现混乱度增大。所以说混乱度越大，熵值越大。
我们知道：构成物质的分子是时时刻刻在不断运动的。温度越高，分子的运动越剧烈，体系越混乱。据此我们可以理解1摩尔的水在气态时分子可以完全自由地运动，所以熵值最大；固态时分子几乎不能自由地运动而排列最有序，所以熵值最小。蔗糖在水中的溶解过程，水的汽化过程，墨汁在水中的扩散过程和气体的互相扩散过程都是体系混乱度增大的过程，即熵增加的过程。
真实的化学过程也不是一种静止的、孤立的过程，它是一种在开放体系中发生的动态过程。一个化学反应只所以能产生，这是整个宇宙(更简单地是指反应体系及其环境的总和)的混乱度在增加。对一个放热反应来说，热量转入环境，使环境的熵值或混乱度增加了。在通常情况下，大多数自发进行的化学反应是放热的，因为释出的热量转移到环境，使其熵值或混乱度得到很大的增加。一般来说，这比在反应体系内熵值或混乱度减少的数值要高一些。但是我们也会遇到吸热反应，这时是化学反应体系的混乱度增大，由于化学反应体系从环境吸热而比环境混乱度减少的数值大。因而总体上来说，一个化学反应能发生，其熵值或混乱度会增加。这就是热力学在化学反应中的作用的全部内涵，即一个反应能够进行的条件是反应体系和环境总嫡值增加。对于一个可逆的化学过程，达到平衡状态时就是熵最大状态即最无序状态。平衡状态是一个动态平衡，是分子水平上的无序，微观上的最大可能的无序。
通过对熵概念的理解和解读，我们还应知道尽管自然界的物质是不断循环再生的，但物质的再生和循环必须以一定的衰变（熵的增加）为代价。可以说世界的熵总是趋向最大的量，达到能量平均状态。随着物质和能量的耗散，当熵值达到最大的状态---能量平均状态，那时将会出现不再有任何自由的能量能够来进一步做功。从这个角度来说，树立可持续性发展的理念、建立节约型社会是功在当代利在千秋的现实要求。

参考文献：
1．王 磊 等 《化学：化学反应原理》（选修） 山东科学技术出版社 2005年6月第一版
2．傅献彩等 《物理化学》（上）高等教育出版社 1990年5月第4版

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