在物理學(xué)基礎(chǔ)上改革物理化學(xué)課程體系與教學(xué)內(nèi)容

葛秀濤，章守權(quán)，馮劍，孫開蓮（滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽滁州 239012）

在物理學(xué)基礎(chǔ)上改革物理化學(xué)課程體系與教學(xué)內(nèi)容

葛秀濤，章守權(quán)，馮劍，孫開蓮
（滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽滁州 239012）

研究物理學(xué)與物理化學(xué)學(xué)科之間的知識(shí)關(guān)聯(lián)以及物理化學(xué)知識(shí)自身存在的矛盾與不足，并在其基礎(chǔ)上改革、創(chuàng)新物理化學(xué)課程授課體系與授課內(nèi)容。符合學(xué)科知識(shí)間內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)和人類獲取知識(shí)規(guī)律，對(duì)“緩解授課內(nèi)容與學(xué)時(shí)矛盾，克服現(xiàn)行物理化學(xué)學(xué)科知識(shí)自身存在的缺陷，降低物理化學(xué)學(xué)習(xí)難度、提高物化教學(xué)質(zhì)量”有事半功倍之效。

物理學(xué)；物理化學(xué)；知識(shí)關(guān)聯(lián)；知識(shí)缺陷；授課體系與內(nèi)容

物理化學(xué)是化學(xué)與物理學(xué)于19世紀(jì)末相互交叉而形成、分屬化學(xué)的一個(gè)二級(jí)學(xué)科，研究探索物理化學(xué)與物理學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)以及物理化學(xué)知識(shí)自身存在的矛盾與不足，并在其基礎(chǔ)之上改革、創(chuàng)新物理化學(xué)課程授課體系與教學(xué)內(nèi)容，乃現(xiàn)階段重要任務(wù)。

一、揣摩知識(shí)關(guān)聯(lián),打破學(xué)科壁壘,創(chuàng)新物化授課體系

物理學(xué)是物理化學(xué)之基石，二者主要內(nèi)容及相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)見表1。

從表1可以看出，物理學(xué)的“力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理學(xué)（凝聚態(tài)物理、核物理、粒子物理、宇宙物理學(xué)）”與物理化學(xué)的“氣體、熱力學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、界面與膠體化學(xué)”相互關(guān)聯(lián)的約60個(gè)知識(shí)點(diǎn)主要集中在氣體動(dòng)理論和熱學(xué)中，它們是化學(xué)熱力學(xué)中熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和化學(xué)動(dòng)力學(xué)中反應(yīng)速率理論等章節(jié)知識(shí)的重要基礎(chǔ)，在物理學(xué)中的講授學(xué)時(shí)一般在12課時(shí)。這就是說，物理化學(xué)中的熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的這部分關(guān)聯(lián)知識(shí)，在先行課物理學(xué)中已有足夠的課堂學(xué)時(shí)保證學(xué)生對(duì)其知識(shí)的理解與掌握。講授此部分內(nèi)容時(shí)，可以簡(jiǎn)單提及或讓學(xué)生溫故知新。換言之，物理化學(xué)教學(xué)完全可以將這部分關(guān)聯(lián)知識(shí)作為已知內(nèi)容并根據(jù)知識(shí)間的內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)改革、創(chuàng)新物化授課體系。

表1 物理學(xué)與物理化學(xué)主要內(nèi)容及相互關(guān)聯(lián)知識(shí)

二、把握“概念、原理、公式”精髓克服學(xué)科知識(shí)矛盾與不足創(chuàng)新物化授課內(nèi)容

學(xué)科知識(shí)自身存在的矛盾與不足是造成物理化學(xué)學(xué)習(xí)困惑與痛苦的重要因素，亦往往是教學(xué)中不得不花費(fèi)較多時(shí)間予以講解的難點(diǎn)和重點(diǎn)。從事物理化學(xué)教學(xué)與研究的人們，如能把握“概念、原理、公式”精髓，克服物化自身存在的矛盾與不足，創(chuàng)新此部分的授課內(nèi)容，定能收到事半功倍之效。

“自發(fā)過程”是指在一定條件下，無(wú)需其它功幫忙即能朝著預(yù)定方向進(jìn)行的過程。但“任其自然，無(wú)需外力（功、熱）幫忙而能進(jìn)行的過程”和“無(wú)需外功幫忙，可自動(dòng)進(jìn)行的過程”亦為其定義在物理化學(xué)教材中的長(zhǎng)期存在，無(wú)不困繞著學(xué)生對(duì)自發(fā)過程本身及與其相關(guān)內(nèi)容的理解與掌握。因?yàn)镃aCO3（s）CaO（s）+CO2（g）在101.325kPa、1173K下和101.325kPa、373K下H2O（l）變成H2O（g）都需要外界供給熱，常溫常壓下H2（g）與1/2O2（g）化合成H2O（l）會(huì)自然而然接受環(huán)境供給的體積功。但它們卻都是人們公認(rèn)的自發(fā)過程。

Gibbs自由能是為了判據(jù)等溫等壓過程的方向與限度，在熵S基礎(chǔ)上引入的狀態(tài)函數(shù)。對(duì)封閉體系將第一定律δQ=dU+PedV-δW'代入熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式結(jié)合G定義，有

定T、P下，G改變值-dGT、P為一定值，若變化是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)布置在可逆原電池中進(jìn)行時(shí)，-dGT、P等于對(duì)外所做的最大其它功（-dGT、P= -δW'）；當(dāng)布置在不可逆電池中進(jìn)行，-dGT、P大于所做的其它功（-dGT、P＞-δW'）；而-dGT、P＜-δW'是不可能的。這就是說，該式與第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式本質(zhì)上一樣，即只能判據(jù)定T、P下過程能否發(fā)生。若用其判斷過程的自發(fā)方向與限度，還必須將能發(fā)生的-dGT、P＞-δW'、-dGT、P=-δW'分別與-δW'可能小于零、大于零和等于零三種情況進(jìn)行組合推演。即

-dGT、P＞-δW'。-δW'＞0（體系對(duì)外做其它功），有-dGT、P＞-δW'＞0，-dGT、P＞0，dGT、P＜0，是自發(fā)的不可逆，即不可逆對(duì)外做其它功，如氫氧電池的不可逆放電作功。G判據(jù)條件是定T、P，自發(fā)方向是G大→G小，限度是G達(dá)最小值（?G/?ξ）T、P=0；-δW'=0（無(wú)其它功交換），有-dGT、P＞-δW'=0，-dGT、P＞0，dGT、P＜0，是自發(fā)的不可逆，如炸鳴氣炸鳴反應(yīng)。G判據(jù)條件是定T、P，自發(fā)方向是G大→G小，限度是G達(dá)最小值（?G/?ξ）T、P=0；-δW'＜0（非自發(fā)），有-dGT、P＞-δW'＜0，取-dGT、P＜0，dGT、P＞0，是非自發(fā)的不可逆，如不可逆電解水。

-dGT、P=-δW'。-δW'＞0（體系對(duì)外做其它功），有-dGT、P=-δW'＞0，-dGT、P＞0，dGT、P＞0，是自發(fā)的可逆，如氫氧電池的可逆放電。G判據(jù)條件是定T、P，自發(fā)方向是G大→G小，限度是G達(dá)最小值（?G/?ξ）T、P= 0；-δW'=0，-dGT、P=-δW'=0，-dGT、P=0，dGT、P=0，是自發(fā)的可逆，如373K、101325Pa下水的汽化；-δW'＜0（非自發(fā)），-dGT、P=-δW'＜0，-dGT、P＜0，dGT、P＞0，是非自發(fā)的可逆，如外壓僅比氫氧電池電動(dòng)勢(shì)大dE時(shí)，以可逆方式電解水。

綜合以上六種情況，有Gibss自由能判據(jù)的條件是定T、P，自發(fā)方向是G大→G小，限度是G達(dá)該條件下的最小值（?G/?ξ）T、P=0，即

就是說，dGT、P＜0，在相鄰的始終態(tài)間既可發(fā)生自發(fā)的不可逆，也可發(fā)生自發(fā)的可逆。達(dá)限度時(shí)，G達(dá)該條件下最小值，即（?G/?ξ）T、P=0；dGT、P=0，在相鄰始終態(tài)間只能發(fā)生自發(fā)的可逆；dGT、P＞0，在相鄰始終態(tài)間可發(fā)生非自發(fā)的不可逆和非自發(fā)的可逆。

如此處理，不僅揭示Gibss自由能判據(jù)的條件本質(zhì)（定T、P），而且將過程終點(diǎn)平衡態(tài)即“限度”（在外界條件不變時(shí)，內(nèi)部不可能有任何宏觀過程進(jìn)行）與可逆過程（或可逆途徑）兩個(gè)完全不同概念應(yīng)取不同量度的歷史難題給出了明晰的標(biāo)志。

三、結(jié)語(yǔ)

[1]程守洙，江之水.普通物理學(xué)（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2006

[2]盧德馨.大學(xué)物理學(xué)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2003

[3]傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天楊等.物理化學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006

[4]葛秀濤.標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)Gibbs自由能變公式的正確推導(dǎo)[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，3（23）

[5]葛秀濤.論化學(xué)反應(yīng)Gibbs自由能變的幾個(gè)問題[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，4（21）

[6]張令芳.無(wú)需定義m±、a±，僅保留v±[J].大學(xué)化學(xué)，1986，3（1）

The reform of physical chemistry course and teaching contents on the base of physics

GE Xiu-tao，ZHANG Shou-quan，F(xiàn)ENG Jian，SUN Kai-lian

Study the disciplines of physics and physical chemistry and physical chemistry knowledge associated with the existing knowledge of their own contradictions and shortcomings,and on its basis of reform and innovation system of the physical chemistry course and lectures.Conform to the internal logic of association between academic knowledge and access to knowledge of human law.The"dull the conflict in teaching hours and the teaching contents,to overcome the current knowledge of physical chemistry and the shortcomings of its own inadequate and contradictions,reducing the learning curve of physical chemistry to improve the physical and chemical quality of teaching”has a multiplier effect.

physics；physical chemistry；knowledge associated；gaps in knowledge；delivery systems and content

G622.0

A

1009-9530（2012）03-0077-04

2012-01-12

安徽省教學(xué)研究重點(diǎn)資助課題（20101039）

葛秀濤(1959-)，男，滁州學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系教授，主要研究方向：氣敏光電功能材料和熱穩(wěn)定助劑。