华盛顿，2023年9月6日——虽然熵是热力学的基石，但对于在课堂上教授初出家门的物理学家来说，熵仍然是最令人烦恼的概念之一。结果，许多人把这个概念过度简化为宇宙中无序的数量，而忽略了其潜在的定量本质。
在由AIP出版社和美国物理教师协会联合出版的《物理教师》一书中，研究人员T. Ryan Rogers设计了一个手持模型，为学生演示熵的概念。罗杰斯的方法使用日常的材料，让学生们用新的直觉来面对这个话题——一个专门针对熵和无序之间的困惑的直觉。
“这是一个巨大的概念障碍，”罗杰斯说。“好消息是，我们已经发现，这是你可以相对容易地在早期纠正的事情。坏消息是，这种误解很早就被灌输了。”
虽然许多类选择了不完美的、定性的简写，称熵为“无序”，但它在数学上被定义为能量在系统中分布的方式的数量。这样的定义只需要学生理解粒子如何储存能量，即所谓的“自由度”。
为了解决这个问题，罗杰斯开发了一个模型，在这个模型中，像骰子和按钮这样的小物体被倒进一个盒子里，复制了一个简单的热力学系统。在密集填充的盒子中，一些粒子被固定在适当的位置，这意味着它们的自由度更小，从而导致整体的低熵系统。
当学生摇晃盒子时，他们将能量引入系统，使锁定的粒子松动。这增加了能量在盒子内分配的方式的总数。
“你基本上可以放大熵，这样学生就可以说，‘啊哈!这就是我看到熵增加的地方，’”罗杰斯说。
当学生们进一步摇晃时，粒子就会进入一种更均匀地分配能量的结构。问题是:在这个高熵点上，粒子会有序排列。
罗杰斯说:“尽管它看起来更有方向性，但实际上熵更高。”
所有参加课程的学生在实验后都能推理出熵的正确定义。
下一步，罗杰斯计划与其他教育工作者展开关于熵的对话，并为从幼儿园到大学使用工具包的方法创建一个更广泛的活动指南，从而扩大模型的范围。他希望他的工作能激励其他人在课堂上澄清这一区别，即使是通过DIY的方式。
罗杰斯说:“葡萄和Cheez-It饼干也很有效。”
这篇文章，“在课堂上调查熵和无序的动手模型”，是由T. Ryan Rogers撰写的。它将出现在2023年9月6日的物理教师(DOI: 10.1119/5.0089761)。在此日期之后，可以访问https://doi.org/10.1119/5.0089761。
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