熱力學第二定律概要

1、熱力學第二定律教學設(shè)計 江蘇省南通市天星湖中學 耿建這節(jié)課的內(nèi)容是人民教育出版社 2005年版高中物理選修 33 教材第十章第 五節(jié)。教學目標 】、知識和技能1、能判斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是具有方向性的；2、知道并理解熱力學第二定律的兩種經(jīng)典表述；3、形成關(guān)于宏觀熱現(xiàn)象都具有不可逆性的概念；4、認識到熱力學第一定律與熱力學第二定律具有同樣重要的意義。、過程和方法分析各種熱學現(xiàn)象的過程，歸納出現(xiàn)象背后的普遍規(guī)律一一熱力學第二定 律。、情感、態(tài)度和價值觀1、體會科學發(fā)現(xiàn)的曲折性和必然性；2、體會熱力學第二定律對于人類實踐的指導意義。教學重點和難點 】重點： 熱力學第二定律內(nèi)容的理解。難點： 熱力學

2、第二定律的兩種表述的理解。設(shè)計思路與教學流程 】設(shè)計思路：本節(jié)內(nèi)容的課程標準是： “通過自然界中宏觀過程的方向性， 了解熱力學第 二定律?！睙崃W第二定律是緊跟在熱力學第一定律之后的一節(jié)內(nèi)容。 學生早在 初中就知道了能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律， 在學完了熱力學第一定律之后， 對于能量 守恒的認識就更深刻了。 因此在此基礎(chǔ)上提出 “利用海水降溫釋放的熱量作為新 能源”這一設(shè)想，讓學生思考、討論而引入新課。然后再列舉一些自發(fā)的熱學現(xiàn) 象，歸納出其中共同的特征： 過程的不可逆性。 然后就其中的熱傳導與功熱轉(zhuǎn)化 兩個過程具體分析， 歸納出熱力學第二定律的兩種經(jīng)典表述： 克勞修斯表述和開 爾文表述。熱力學第二

3、定律的實質(zhì)就是指宏觀自發(fā)的涉及熱現(xiàn)象的過程都是不可 逆的，任何一類宏觀自發(fā)的熱學過程都可以作為熱力學第二定律的表述。 本節(jié)課 的難點在于如何理解熱力學第二定律的兩種表述， 特別是開爾文表述。 教學中盡 可能多地讓學生分析實例， 再借助于一些多媒體素材 （我利用了一些視頻及熱機、 內(nèi)燃機兩個 flash 動畫），從正、反兩方面幫助學生形成對熱學現(xiàn)象中的過程認 識：熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體； 功可以全部轉(zhuǎn)化為熱； 熱量可以 從低溫物體傳到高溫物體（但要有條件）；熱可以轉(zhuǎn)化為功（但不完全）。最終 認識到熱力學第二定律是與熱力學第一定律并重的一條客觀規(guī)律。教學流程:【教學資源】多媒體課件（

4、包括視頻及flash動畫）【教學實錄】、引入新課師：我們剛剛學過了熱力學第一定律， 即能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律。既然能量 的總量是不變的，但為什么還說有能源危機，還要提倡節(jié)約能源呢？曾經(jīng)有這樣 一個設(shè)想（展示幻燈片），試圖來解決我們的能源危機。（幻燈片內(nèi)容）地球上有大量的海水，它的總質(zhì)量約為1. 4X 1018t，如果這些海水的溫度降低0. 1°C,將要放出多少焦耳的熱量？海水的比熱容為 C=4. 23X 10J/ （kgC）師：請大家計算一下，上述過程將釋放多少能量?生：放出5. 8X 1023J的熱量師：這相當于 1800 萬個大亞灣核電站一年的發(fā)電量。（秦山核電站裝機容 量為 30

5、 萬千瓦、大亞灣核電站裝機容量為百萬千瓦）（幻燈片）師：請大家相互討論一下，該方案可行嗎？學生分組討論）生 1 ：這個方案可行，因為不違背能量守恒定律。生 2：這個方案不可行，若可行的話，科學家早就將這一想法付諸實踐了生 3：不同意 2 的說法。并不是我們能想到的就一定能實現(xiàn)的、提出熱力學第二定律師：那么這一想法實現(xiàn)的困難是技術(shù)上的障礙呢？還是理論上根本不可能？ 是否還存在一些除了能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律之外的一些我們還必須遵循的客觀 規(guī)律呢？現(xiàn)在讓我們一起來學習本章第五節(jié)：熱力學第二定律。師：我們先從分析一組物理現(xiàn)象開始。 請看下面的一些視頻： 空氣和二氧 化氮氣體的擴散； 燒紅的鐵棒浸入水中冷

6、卻； 向密閉的廣口瓶中充氣， 將瓶 塞充開；在草坪上滾動的足球最終停下來； 一玻璃杯從桌子邊緣摔在地面上 破碎。（展示視頻）師：這些是我們眼中能看到的現(xiàn)象， 大家能否描述一下上述現(xiàn)象的逆過程？并判斷這些逆過程可能實現(xiàn)嗎？注意語言表述的準確性，大家相互討論一下。學生分組討論）生1：現(xiàn)象的逆過程是均勻混合的空氣與二氧化氮氣體過一段時間變的涇 渭分明：上面是空氣，下面是二氧化氮。該過程不可能。生2:現(xiàn)象的逆過程是浸在水中的鐵棒過一段時間后吸收水的熱量變紅 了，而水溫降低了。該過程不可能。生3:現(xiàn)象的逆過程是從瓶中沖出去的氣體又自動回到瓶中，瓶中氣體的 壓強達到了將瓶塞沖開時的壓強。該過程不可能。生4

7、:現(xiàn)象的逆過程是靜止在草坪上的足球自動地吸收草地的熱量轉(zhuǎn)化為 足球的動能，足球滾了起來。該過程不可能。生 5:現(xiàn)象 錯誤！鏈接無效。 的逆過程是碎在地面上的玻璃杯自動地變成完 整的杯子，并跳回桌面。該過程不可能。師:所有的這些現(xiàn)象有何共同特征？生：都是不可逆的師：既然在不同的現(xiàn)象背后存在著一個共同特征， 那么就應(yīng)該存在著一個普 遍的客觀規(guī)律。 事實上， 許多科學家已經(jīng)從不同的角度分別進行了歸納總結(jié)， 提 出了熱力學第二定律。三、熱傳導過程分析克勞修斯表述師：分析諸如的熱傳導過程，要發(fā)生熱傳導必須具備什么條件?生：要有溫度差師：那么自發(fā)的熱傳導過程有什么特征?生：總是從高溫物體向低溫物體傳導師：

8、熱量能否從低溫物體傳導到高溫物體?生1不能，諸如中不可能出現(xiàn)鐵棒變紅、水溫降低的現(xiàn)象生 2：可能的，電冰箱工作時就是將熱量從低溫環(huán)境傳導到高溫環(huán)境。師：很好，讓我們一起來分析電冰箱的工作過程。請考慮三個問題：一是電 冰箱中熱量傳導的方向性； 二是電冰箱中這種熱量傳導有沒有條件?三是分析電 冰箱工作時能量轉(zhuǎn)化情況。請大家相互討論一下。（學生分組討論）生1電冰箱工作時是將熱量從低溫環(huán)境傳到高溫環(huán)境;生2:只有在電冰箱插上電源后，才能實現(xiàn)上述熱量傳導過程;生3:電冰箱工作時，消耗了電能師：電冰箱工作時，消耗了電能，再考慮電冰箱制冷劑在箱內(nèi)吸收的熱量與 在箱外釋放的熱量，該過程中能量守恒嗎？生4:能量

9、肯定是守恒的，也許釋放到電冰箱外的熱量大于在電冰箱內(nèi)吸收 的熱量。師：你的說法不錯，諸如過程和電冰箱的工作過程可以用下面的流程圖來 表示：可見，熱量傳導可以從低溫物體到高溫物體。 可以設(shè)想，拔掉電源的冰箱是 不可能達到制冷效果的，也就是下面的過程不可能：咼物體（展示幻燈片）師：早在1850年德國物理學家克勞修斯總結(jié)了熱傳導過程的規(guī)律，稱之為 熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。請 大家再將這一意思換一種表述方法。生：也可以說成：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響四、功熱轉(zhuǎn)化過程分析一一開爾文表述師：足球在草坪上滾動最終停下來，試分析該過程中的能量轉(zhuǎn)

10、化情況生：足球的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能師：再比如小球從高處落下掉進沙坑，能量的轉(zhuǎn)化情況怎樣?生：小球的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能師：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，那么內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機械能？生 1：不能，因為上面的過程是不可逆的生 2：可以的，熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，但也可以由低溫物體傳 到高溫物體。師：你的類比不錯。這一問題先擱一下，我們再分析兩個實例：一是熱機； 二是內(nèi)燃機。（展示 flash 動畫）請觀察熱機與內(nèi)燃機的工作流程，并分析能量轉(zhuǎn)化的情況生 1：熱機工作過程中，鍋爐中的水被加熱變成水蒸氣，水蒸氣推動汽缸活 塞對外做功， 然后排出的尾氣經(jīng)過冷凝器變成液態(tài)水回到鍋爐。 該過程中的能量 轉(zhuǎn)化過程是：

11、煤的化學能轉(zhuǎn)化為水蒸汽的內(nèi)能，再變?yōu)榛钊\動的機械能。生 2：內(nèi)燃機工作過程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運 動壓縮混合氣體， 點火后混合氣體爆炸， 推動活塞對外做功， 最后將汽缸中的尾 氣排出。該過程中混合氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。師：以上兩個過程都存在內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象。 請分析這些過程中， 內(nèi) 能全部轉(zhuǎn)化為機械能嗎？生 3：不能，因為機械裝置存在摩擦損耗，要消耗部分能量。生 4：從汽缸中排出的尾氣也帶走了部分能量。師：這樣看來，機械能與熱能之間的轉(zhuǎn)化也可以用下面的流程圖來表示:（展示幻燈片）師：熱機或內(nèi)燃機就是從高溫熱源吸收熱量 Q,其中對外做功為 W到低溫 熱源放出熱量

12、Q。這一過程是通過工作物質(zhì)如水蒸氣、汽油和空氣混合氣體的燃 燒等來完成，這些工作物質(zhì)簡稱為工質(zhì)。即使將摩擦損耗的能量理想化地降低到 零，也不可能排除尾氣帶走的熱量。 在1851年，開爾文就功與熱的轉(zhuǎn)化提出了： 不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其它影響。這就是熱力 f 1學第二定律的開爾文表述。所以熱機、內(nèi)燃機的效率總有：<。即下面的過程是不可能完成的：（展示幻燈片）師：大家能否就開爾文表述換一種說法?生：不可能有效率為 100%的熱機師：這種說法更簡潔。事實上，一般的汽車上的汽油機械效率只有 20%-30% 蒸汽輪機的效率比較高，也只能達到 60% 。五、熱力學第二定律

13、的實質(zhì)師：熱傳導過程與功熱轉(zhuǎn)化過程的分析， 得到了熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述。這兩種表述的共同點是什么？生：都指明了物理進程的一種方向性。師：不錯，熱力學第二定律的實質(zhì)就是指明了自發(fā)的宏觀熱現(xiàn)象具有方向性。 任何一類宏觀自然過程進行方向的說明可以作為熱力學第二定律的表述。 請觀察 擴散現(xiàn)象、氣體向真空擴散的過程（展示幻燈片）。大家能否結(jié)合這些現(xiàn)象給出 熱力學第二定律的其他表述呢？生 1：熱力學第二定律也可表述為：擴散過程是不可逆的生 2：熱力學第二定律也可表述為：氣體向真空中自由膨脹的過程是不可逆 的。師：這些說法都不錯， 當然還有其他不同的表述， 所有的這些表述都是等價 的。請

14、同學們課后相互討論交流。六、回顧與思考師：現(xiàn)在讓我們來回顧一開始提出的設(shè)想： 能否利用海水降溫的方法獲取有 用功？生 1：不行，該過程盡管不違背能量守恒定律， 但卻違背了熱力學第二定律。師：違背了熱力學第二定律中的哪種表述？生 2：違背了開爾文表述。即不可能從海水這單一熱源吸收熱量，使之變?yōu)?有用功，而不產(chǎn)生其他影響。師：不錯。 但是在沒有發(fā)現(xiàn)熱力學第二定律之前， 有許多科學家就試圖制造 諸如此類的機器， 這稱之為第二類永動機。 現(xiàn)在看來， 第二類永動機也不可能實 現(xiàn)。開爾文表述是從功能關(guān)系來表述的， 因此開爾文表述也可說成： 第二類永動 機不可能實現(xiàn)。 可見我們不僅要受制于能量的轉(zhuǎn)化與守恒定

15、律， 還要受到能量轉(zhuǎn) 化方向的制約。也可以說熱力學第一定律指明了我們所擁有的“資本”總量；熱 力學第二定律則規(guī)定了我們“資本”運營的方式和方法。課后請同學們再利用熱力學定律說明開始的五個視頻的逆過程為什么不能 完成，并完成教材后的問題與練習題。板書設(shè)計 】熱傳導的方向性克勞修斯表述：迪量不能自發(fā)地從低溫 物體傳到高溫物體（即不可能將熱量從低溫物體傳到高濕物 體而不引起其它變化）.門.不可能從單一熱源吸取熱重，使它完功熱轉(zhuǎn)化的方向性全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其它影響.1切與熱現(xiàn)象育關(guān)爾文表述：2.不可能有救率為100%的熱機.1玄第二類永動機不可能制成.廣1氣體向真空中自由膨脹的過程是不的實際宏觀過程都 是不可逆的.熱力學第二宦律可逆的.的其它表述：2.曠散過程是不可逆的.J&