教师和学生通过动手模型研究热力学

虽然熵是热力学的基石，但它仍然是课堂上教授初出茅庐的物理学家最令人烦恼的概念之一。因此，许多人将这个概念过于简单化为宇宙中无序的程度，而忽略了其潜在的定量本质。

在AIP出版社和物理教师协会联合出版的《物理教师》一书中，研究员T. Ryan Rogers设计了一个手持模型，向学生展示熵的概念。罗杰斯的方法使用日常材料，让学生以新的直觉面对这个话题——这种直觉专门针对熵和无序之间的混淆。

“这是一个巨大的概念障碍，”罗杰斯说。“好消息是，我们发现这是可以在早期相对容易地纠正的问题。坏消息是这种误解很早就被灌输了。”

虽然许多类别选择将熵称为“无序”的不完美的定性简写，但它在数学上被定义为能量在系统中分布的方式数量。这样的定义只需要学生了解粒子如何存储能量，正式称为“自由度”。

为了解决这个问题，罗杰斯开发了一个模型，将骰子和按钮等小物体倒入盒子中，复制一个简单的热力学系统。密集填充的盒子中的一些粒子被堆积在适当的位置，这意味着它们的自由度较小，从而形成整体低熵系统。

当学生摇动盒子时，他们将能量引入系统，从而释放锁定的粒子。这增加了能量在盒子内分配的方式总数。

“你本质上放大了熵，这样学生就可以说，‘啊哈!在那里我看到熵增加了，”罗杰斯说。

当学生进一步摇晃时，粒子会形成一种结构，从而更均匀地分配它们之间的能量。问题是：在这个高熵点，粒子会有序排列。

“尽管它看起来更有方向性，但实际上熵更高，”罗杰斯说。

经过实验，所有参加课程的学生都能够推理出熵的正确定义。

接下来，罗杰斯计划通过与其他教育工作者开始关于熵的对话，并为从幼儿园到大学使用这些工具包的方式创建更广泛的活动指南来扩大该模型的影响范围。他希望他的作品能够激励其他人在课堂上澄清这种区别，即使是通过 DIY 的方式。

“葡萄和 Cheez-It 饼干也非常有效，”罗杰斯说。