使用验证仪器探讨初级和高级学生在熵及热力学第二定律方面的困难

我们使用Survey of Thermodynamic Processes and First and Second Laws-Long (STPFaSL-Long)，这是一项包含78项的基于研究的调查仪器，旨在探讨初级和高级学生在熵及热力学第二定律方面的困难。我们呈现了来自美国四所不同高等教育公共机构的12个不同初级和高级物理课程数据的分析，这些课程中对超过1000名学生进行了现场调查。我们发现，初级学生普遍倾向于将熵的性质与能量的性质联系起来，导致许多基于“熵守恒”思想的错误，在这种思想中熵的增加总是被相等的熵减少所平衡。对于许多更高级的学生（基于微积分的和上层课程），我们检测到一种倾向，即使在熵不变的过程中，仍期望熵增加。我们观察到学生普遍未能正确地应用关系{\Delta}S = {\delta}Qreversible/T，要么用于不适用的不可逆过程，要么在适用于可逆过程的可逆过程中错误地或完全忽略它。我们也注意到，许多初级学生并不知道在任何“自发”热量传递过程中总熵必须增加。所有水平的学生都经常被困惑，尽管在可逆等温过程的净熵（系统+储库）不变，但工作物质本身的熵确实取决于过程是膨胀还是压缩而增加或减少。我们的发现与先前在该领域的研究发现一致，不仅拓展了这些发现，还揭示了学生思维中此前未报道的方面。