澳门葡京:热力学定律用于生命过程规律的解读

2018年5月12日

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  作为物质世界的统一体,整个物质世界是守恒的,其总值不会改变的,下面是小编搜集的一篇关于热力学定律用于生命过程规律解读的论文范文,供大家阅读借鉴。

  引言

  在应试教育的大背景下,成绩成为教学工作的杠杆,致使教师往往只重视知识传授与解答,忽视包括育人方面的素质教育,其最终结果往往是教学与实践脱节,学生高分低能,不能满足现代化建设、社会生产的人才需求。

  面对目前中国教育的现状,许多教育工作者积极进行教育模式的研究探索,不断更新教材和教学模式。作为学校培养人才的最后一个环节,高校在人才培养方面也受到社会的挑战和批评。社会认为当前中国高校仅仅是培养了人才胚子而已,并没有有效起到培养专业技能、创新思维等综合素质人才的作用。

  教学工作过程是一个"教书-育人"过程,理论上讲"育人"比"教书"更加重要。而在应试教育的背景下,中国学校的老师们在"教书"方面可以说绞尽脑汁,而在"育人"教育方面挖掘的内容甚少,尤其是理工科老师更是如此。

  物理化学作为化学专业的一门专业基础课程,其知识体系与重点难点较多,以至于物理化学的教学工作者们大部分工作致力于教学内容与教学法的研究探索[1-3],在于如何使学生更有效掌握该课程的知识内容[4-6].这样以来,老师们更多的时间是琢磨如何精简地讲述教学内容,很容易忽视教学过程中"育人"的重要性。

  科学既需要继承又需要发扬[7],本文将物理化学热力学基本理论应用于生命体系,来解读生命过程规律,希望为我们人类的学习、工作和生活等活动指明目标和方向。在教学内容和教学方法方面,利用发散性创造思维模式进行剖析,以达到既完成"教学"又实现"育人"的目的。

  1生命发展方向问题

  我们经常说:"生活没有目标,就犹如在大海中航行的轮船没有航线",可见,人生目标有多么重要。在当今年代,由于社会压力比较大,人们很容易产生烦躁情绪,导致生活方向迷失;有些人的生活目标,是采用"刀在石上磨,人在世上练"的方式探索而找到的。那么,人生的根本目标和方向到底在哪里呢?是否有永恒的目标呢?

  热力学第二定律告诉我们,一个非生命的孤立体系始终向着熵(entropy)增加的方向发展[1,2].熵本质上是体系组成粒子混乱度的量度,非生命体系在不受环境影响的条件下,始终朝着混乱度增大的方向发展,亦即始终朝着化学势(μ)降低的方向发展(见图1)[8,9].

  作为物质世界的统一体,整个物质世界是守恒的,其总熵值不会改变;那么非生命体系所对应的生命体系应该朝着混乱度减小的方向发展,亦即生命体系始终朝着提高"自身势(μ)"的方向发展(见图1).由图1可见,生命和非生命体系的本质区别在于发展过程中势(μ)的方向不同,亦即生命体系的发展方向在于熵减少(增加势),而非生命体系的发展方向在于熵增加(降低势).

  作为生命体系的人,同样会遵守生命体系的方向性规律。一个生命个体人成长和思想成熟的过程,是个体不断提高"自身势"的过程;当个体的"势"积累到一定程度后,将会发生量变到质变,通过个体与个体的联合,以提高体系容量,为进一步提高"势"创建更大空间,即只有具有一定"势"的个体才能发生质变,如"成家立业";个体组成的生命团体的方向同样也是在于逐渐提高团体的"势",不断降低团体的混乱度,这就需要团体成员的协调一致、团结合作,从而形成强有力群体(即高μ值).这种量变到质变的不断发展,从而促成了"个体势"、"群体势"的存在,进而有社会的不断进步和完善。

  2物质的运动形式特点

  有了物质运动的方向,那么物质又是如何在运动中变化的呢?让我们考察热力学定律给我们的启发。热力学第一定律可表示为:ΔU=Q+W(1)其中Q可表示热,W为功,U为体系自身内能。

  物质世界的运动形式可分为有序(order)运动和无序(disorder)运动两种形式,如功是物质体系粒子有序运动的宏观表现,而热是物质体系粒子无序运动的宏观表现[8,9].熵(混乱度)增加是非生命体系的发展规律特点,其发展过程是无序运动占主导地位。熵(混乱度)减小是生命体系的发展规律特点,其发展目标是有序运动占主导地位。

  根据公式(1),"功"和"热"作为物质粒子常见的运动形式能与体系内能相互转化,这本质上说物质包含了无序和有序运动所产生的能量,功是有序运动,那必然是有序结构所发生的结果;而热是无序运动,可用温度来定量物质体系粒子的这种运动形式。若体系吸收了热而体系本身温度并不升高,那必然是体系通过结构调整将无序运动能存储在更有序的结构中,正是这个意义上,体系内能U本质上是有序结构势(μ)的反映。

  非生命体系的无序运动过程是体系不需要做功W而自身自发散失Q(为负值),本质上是在体系"有序势"的作用下自身内能自发降低的过程,即ΔU<0.可见,无序运动Q降低体系内能U降低有序势μ变为更无序的结构。生命体系的有序运动是体系通过对环境做功W(为负值)从环境获得物质(即Q,为正值),并且只有W+Q≥0时,则有ΔU≥0,即体系维持或提高结构有序。可见,生命体系做功W的目的在于从环境中获取Q以期改善体系自身的有序结构。

  当然,生命体系获得Q后还要继续付出W才能将Q转化为自身内能U.假若体系不能将获得的Q储存在自身的有序结构中,那必然导致体系温度升高,生命体系会表现为焦躁、浮躁等热Q的现象反映,甚至导致体系积热Q而灭亡。

  体系的变化过程是无序运动和有序运动共同作用的结果,而且无序运动始终存在于有序结构体系变化中。正是由于这种物质运动规律,生命体系假若不能做有序运动来抵制无序运动,那必然会"逆水行舟,不进则退",因此,生命体系只有通过不断做功W,从环境获取Q,并将Q吸收转化为自身内能U,才能提高或维持自身体系内能U或有序势μ。

  3物质生命个体过程

  假若我们以生命个体为研究对象,生命个体总是与其环境进行物质交换和能量交换,根据物理化学体系理论,一个生命个体属于一个开放体系;但在其发展过程中的每个点上生命体系又可以看作是准静态的封闭体系,这就满足了热力学第一定律的条件,那么就可以用热力学第一定律来定量生命体系的规律,其定量的关系可用关系式(2)来表示:ΔUm=QO+QA(2)公式(2)给出了生命个体在其运动过程中的定量能量关系,内能U是生命个体质量或其相当的能量;QO是体系从环境中获取的能量或物质相对的能量;WA是体系方向性运动消耗的能量。

  对植物来说,主要是通过叶绿素细胞做功WA,吸收太阳光子的能量QO,并将获取的能量QO转变为自身内能Um;对动物来说,主要是通过对环境做功WA,从环境中获取有序结构物质(QO),并将获取的QO转变为自身体系内能Um.可以看出,生命体系运动的物质过程本质上是生命体通过方向性做功运动WA,从环境获取物质QO,并将获取的QO吸收转化为自身内能Um的过程,其根本目的在于维持或改善/提高内能Um.

  4思维意识行为过程

  思维意识形态在动物个体中具有主观能动性的重要作用,能直接作用于动物个体的行为活动。那思维意识遵循的规律如何呢?假若把思维意识看作研究对象,用热力学定律来考察其定量关系,见公式(3):ΔUI=QA+WE(3)式中内能UI表示个体拥有的信息量,对个体人来说可表示知识量;QA是从环境中获取的信息(为正值)或遗忘的信息(为负值);WE是生命体思维意识的获取、练习与表达过程中所做的功。

  利用热力学定律公式(3)来考察思维意识行为的运动变化规律。在思维意识中,思维无序运动(如遗忘)是始终存在的,有QA<0,这样遗忘运动必然导致个体知识量UI下降;意识个体只有通过有意向的思维活动,在思维意识中通过做功WE,从环境中获取信息量QA,并将获取的QA转化为自身个体的信息量UI,才能维持成提高UI.

  具有思维意识的生命个体,在思维意识形态中,思维意识信息结构的维护与改善需要生命个体在思维意识体系中付出努力WE,从环境中获取的是信息量QA,并将吸收到的信息量QA转化为自身的UI.

  可见,人作为存在的生命个体必然需要通过看书、听课、听报告等有序的学习活动WE从外界获得知识QA,才能维持或改善自己的信息量UI,并将所获取的知识信息真正转换为自己的有序思维,那就必然需要对所学到的知识信息进一步练习、思考等方向性活动付出WE,才能将获取的信息真正转变为自己知识量UI.

  综合生命个体的思维意识体系,个体日常学习做功WE是获取信息量QA的需要,获取的QA是个体意识信息量UI的维持与改善的基本条件。

  5物质与意识过程的相关性

  思维意识是作用于体系的行为而表现出来的,因此生命体系中的做功WA本领本质上是思维意识中的信息量UI的另一种表现形式。通常来说个体拥有的信息量UI越大,那么其对环境做功WA的本领也越大,也就更有利于体系获取更大的QO,从而提高体系Um.

  体系在没有扩张需求的情况下,在意识和物质交换过程中,体系通过方向性运动所付出的功W而从环境得到Q来维持体系的基本平衡,从而体系处于一个准静态。在社会领域中,体系可以通过思维意识对行为实现有效控制;在完美思维意识控制下,高能体系会与其他低能体系的成果分享,这在物理化学理论上讲宏观上有利于整体体系的稳定,在社会层面上讲有利于社会的和谐与发展。

  6结论

  综上所述,本文利用物理化学的热力学的理论方法,将热力学定律运用于解答生命体系的自然需求和社会需求,为生命体的发展指明了方向。将热力学定律运用于生命体系探索人类哲学问题,不仅让学生们学习到了热力学定律的基本知识,而且还对学生学习和生活给出了理论指导,达到了既"教书"又"育人"的教学目标。

  参考文献

  [1]刘光灿。物理化学中化学热力学的教与学[J].中国校外教育,2011(6):174-176.

  [2]王帅。提问中学习–物理化学教学中新教法的探索与实践[J].创新教育,2013(22):46-47.

  [3]侯文华,姚天扬。物理化学课程教学探索与实践[J].中国大学教学,2012(7):38-40.

  [4]居学海,周素芹。如何理解热力学基本公式适用条件[J].大学化学,2011,26(1):77-78.

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