Несмотря на то, что энтропия является краеугольным камнем термодинамики, она остается одной из самых неприятных концепций для преподавания начинающим физикам в классе. В результате многие люди слишком упрощают эту концепцию как количество беспорядка во Вселенной, пренебрегая лежащей в ее основе количественной природой.

В Учитель физикиИсследователь Т. Райан Роджерс разработал портативную модель, чтобы продемонстрировать студентам концепцию энтропии. Используя повседневные материалы, подход Роджерса позволяет студентам подойти к этой теме с новой интуицией, которая специально нацелена на путаницу между энтропией и беспорядком.

«Это огромный концептуальный барьер», — сказал Роджерс. «Хорошая новость заключается в том, что мы обнаружили, что это можно относительно легко исправить на раннем этапе. Плохая новость в том, что этому недопониманию учат так рано».

Хотя многие классы предпочитают несовершенное, качественное сокращение, называя энтропию «беспорядком», математически она определяется как количество способов распределения энергии в системе. Такое определение просто требует от учащихся понимания того, как частицы хранят энергию, формально известную как «степени свободы».

Чтобы решить эту проблему, Роджерс разработал модель, в которой небольшие предметы, такие как игральные кости и пуговицы, ссыпаются в коробку, воспроизводя простую термодинамическую систему. Некоторые частицы в плотно заполненном ящике упакованы на месте, а это значит, что они имеют меньше степеней свободы, что приводит к общей системе с низкой энтропией.

Встряхивая коробку, студенты вводят в систему энергию, которая освобождает запертые частицы. Это увеличивает общее количество способов распределения энергии внутри коробки.

«По сути, вы увеличиваете масштаб энтропии, чтобы студенты могли сказать: «Ага! Вот где я видел увеличение энтропии», — сказал Роджерс.

По мере того, как ученики трясутся дальше, частицы принимают конфигурацию, которая более равномерно распределяет энергию между ними. Загвоздка: в этой точке высокой энтропии частицы выстраиваются в упорядоченное положение.

«Хотя это выглядит более ориентационно упорядоченным, на самом деле энтропия здесь выше», — сказал Роджерс.

Все учащиеся, принимавшие участие в уроке, смогли после эксперимента рассуждать о правильном определении энтропии.

Далее Роджерс планирует расширить сферу применения модели, начав разговор об энтропии с другими педагогами и создав более широкое руководство по использованию наборов от детского сада до колледжа. Он надеется, что его работа вдохновит других разъяснить это различие в своих классах, даже если это будет сделано своими руками.

«Виноград и крекеры Cheez-It также очень эффективны», — сказал Роджерс.

Статья «Практическая модель исследования энтропии и беспорядка в классе» написана Т. Райаном Роджерсом и опубликована в журнале Учитель физики.