2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律4熱力學(xué)第二定律教案1新人教版選修3-3

PAGE1-熱力學(xué)其次定律【教學(xué)目標】一、學(xué)問和技能1、能推斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是具有方向性的；2、知道并理解熱力學(xué)其次定律的兩種經(jīng)典表述；3、形成關(guān)于宏觀熱現(xiàn)象都具有不行逆性的概念；4、相識到熱力學(xué)第確定律與熱力學(xué)其次定律具有同樣重要的意義。二、過程和方法：分析各種熱學(xué)現(xiàn)象的過程，歸納出現(xiàn)象背后的普遍規(guī)律──熱力學(xué)其次定律。三、情感、看法和價值觀1、體會科學(xué)發(fā)覺的曲折性和必定性；2、體會熱力學(xué)其次定律對于人類實踐的指導(dǎo)意義。

【教學(xué)重點和難點】重點：熱力學(xué)其次定律內(nèi)容的理解。難點：熱力學(xué)其次定律的兩種表述的理解。【教學(xué)用具】多媒體課件、燒杯、鋼筆、冰淇淋【教學(xué)過程】一、課程引入1、播放錄像《電冰箱》，問：電冰箱的作用是什么？答：把熱量從冷藏室轉(zhuǎn)移到冰箱外。那么，在一個封閉的房間里，把正在工作的電冰箱門打開，請問：室內(nèi)溫度有改變嗎？上升？不變？降低？想預(yù)料這個結(jié)論而且能說明它，這就涉及到我們今日學(xué)習(xí)的內(nèi)容——熱力學(xué)其次定律。2、復(fù)習(xí)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,指出第一類永動機不能制成的緣由是因為它違反能量守恒定律。然后提出問題：凡是違反能量守恒定律的過程都是不行能實現(xiàn)的。那么反過來,是不是遵守能量守恒定律的過程就可以實現(xiàn)呢?假如都能實現(xiàn)的話,就可以實現(xiàn)下面一個例子(課本上P83-84的例子)。大家知道,地球上有很多的海水,約有1.4×1018,只要讓地球上的海水每降低0.1℃,由公式Q=cm△t就可求出所釋放的能量Q=5.8×1023J。這個能量相當(dāng)于地球上1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量,假如我們拿來利用的話,我們的能源問題不就可以解決了嗎?為什么我們?nèi)祟惒蝗ラ_發(fā)利用它?但可以確定的一點是,它并沒有違反能量守恒定律。事實上是不行能的,因為它還要遵循另外一條定律——熱力學(xué)其次定律。二、熱力學(xué)其次定律建立的歷史背景19世紀初,由巴本、紐卡門等人獨創(chuàng)的蒸汽機經(jīng)過很多人特殊是瓦特的重大改進,已廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運輸,可以說它給世界工業(yè)帶來了一場前所未有的巨大革命。但當(dāng)時人們對蒸汽機的理論探討還是特別缺乏的。可是人們遇到了一個特別實際的問題:如何提高蒸汽機的效率問題。很多科學(xué)家和工業(yè)家又在追求熱機的高效率甚至百分之百的效率,也就是把百分之百的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能?？墒聦嵶C明無論怎樣改良熱機,消退額外的能量損失,都只能把很少一部分的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械。試驗和理論證明即使在志向狀態(tài)下使熱機工作,熱機的工作效率最高,但是離百分之百還是差的很遠。為什么呢？科學(xué)家們經(jīng)過在這個問題的推動下,發(fā)覺了熱力學(xué)其次定律,并用它去解決與熱現(xiàn)象有關(guān)的問題。三、熱力學(xué)其次定律的發(fā)覺熱力學(xué)其次定律并不神奇，在座的各位都可以從身邊很多自然過程中發(fā)覺它?，F(xiàn)在就讓我們先來視察一個小試驗。1、滴一滴墨水到一杯清水里，可以看到墨水的擴散現(xiàn)象。這個現(xiàn)象是自發(fā)進行的，我們并沒有賜予任何幫助；這里“自發(fā)”兩個字很重要，因為我們完全可以通過各種方式把這滴墨水重新收集在一起，即須要外界對這杯水做功，于是外界發(fā)生了改變，產(chǎn)生了影響，這種影響是不行能消退的?！鍟耗臄U散現(xiàn)象：聚合狀的墨水——→分散狀的墨水2、請看一根冰淇淋放在空氣中，它最終會因為四周相對高溫空氣傳遞熱量給它而使它漸漸溶化。分析：熱量會自發(fā)的從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)果使溫度低的物體溫度上升，溫度高的物體溫度降低。問：有沒有見過，冰淇淋會不會自動把熱量傳遞給四周相對高溫的空氣呢？最終冰淇淋不會溶化反而越來越冰凍呢？能不能把熱量從低溫冰淇淋傳遞給高溫物體呢？分析：學(xué)生可能說“能”，比如說冰箱。說明什么是“自發(fā)地”？“自發(fā)地”：是沒有任何外界的影響或幫助?？照{(diào)、冰箱需借助外界條件電源，才能夠使熱量從低溫物體傳到高溫物體，它們是“不自發(fā)地”而是“被迫地”，——一旦停電，就又是自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體。板書：熱傳導(dǎo)：高溫物體——→低溫物體類似：水（自發(fā)地）往低處流，也可以在有幫助的條件下（被迫地）向高處流?？偨Y(jié)：熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，這個過程可以自發(fā)的從一個方向自發(fā)地進行；但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行，必需借助外界的幫助。自然界中所涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。實例：電冰箱。用示意圖表示熱傳導(dǎo)的方向性，在圖2中，Q1=Q2+W。4、一個在水平面上行駛的汽車，關(guān)閉油門后，由于克服摩擦力做功，最終總要停下來。在這個過程中，因為摩擦生熱，汽車的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的增量一部分轉(zhuǎn)移到汽車和地面，一部分轉(zhuǎn)移到了空中,使汽車的溫度上升。在這轉(zhuǎn)化中能量守恒，汽車的機械能完全轉(zhuǎn)化為環(huán)境的內(nèi)能。板書：汽車：機械能——→內(nèi)能依據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律理論，內(nèi)能同樣可以轉(zhuǎn)化機械能中的動能，但是誰會看到這樣的現(xiàn)象:一個停放在水平面上的汽車,靠降低溫度,可以把釋放出來的內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機械能,使這輛汽車動起來，這在夏天是一件多么奇妙的事情。汽車不用耗油，通過降低汽車自身的溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動能，使汽車一面降溫一面跑起來，在這轉(zhuǎn)化中能量守恒，沒有違反能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。我們沒有見過這類狀況，并不是人們沒有想到，而是有困難?；卮疬@個問題之間我們先介紹熱機。熱機，是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。如內(nèi)燃機、蒸汽機、燃氣輪機（熱電廠）、燃氣渦輪（噴氣飛機）。正常熱機將從高溫?zé)嵩醇橙〉牟糠譄崃哭D(zhuǎn)化為機械能,另一部分傳送到低溫?zé)嵩?即冷凝器),如圖3.該過程可看成人工制冷的逆過程.以內(nèi)燃機為例：氣體燃燒時產(chǎn)生的熱量Q1,推動活塞做功W，然后放出熱氣，同時把熱量Q2散發(fā)到大氣中。依據(jù)能量守恒Q1=W+Q2,假如我們把熱機做的功W和它從熱源汲取的熱量Q1的比值叫做熱機的效率，用η表示效率，則有問：我們也都知道W>Q1,也就是η不行能達到100％，那是為什么？分析：熱機構(gòu)造必需有熱源和冷凝器，工作時，總要向冷凝器散熱，因此要損失熱量。②若熱機的效率提高到100%,則Q1=W,Q2=0,如圖4,低溫?zé)嵩纯梢匀∠?這樣的熱機叫其次類永動機。能不能制造出沒有冷凝器的熱機呢？那就變成只有單一的熱源，機器從這個單一熱源中汲取熱量，可以全部用來做功，其次類永動機就是指這類遵守能量守恒定律，沒有冷凝器的從單一熱源不斷獲得能量并全部用來做功的機器。假如其次類永動機能夠制成，它就可以從外界諸如空氣、海洋、土壤等單一熱源中不斷地吸取能量，而對外做功。眾所周知在空氣和海洋中內(nèi)能是取之不盡的，這樣的話飛機不用帶油箱，輪船不用帶燃料。人們?yōu)榇俗龀隽撕芏嗯Γ隽舜罅康膰L試，但是其次類永動機始終還是沒能制成。伴隨著一次次的失敗，最終相識到其次類永動機是不行能制成的。其次類永動機的失敗，說明機械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化有著方向性：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能（確定引起其他改變）。所以我們在沒有冷凝器的條件下，無法通過降低海水溫度來獲得我們所須要的能量。5、其他例子：煤炭燃燒可以放出熱量,而反過來則不行能把放出的熱量完全收回再變成煤炭;生命的孕育、生長、蒼老、死亡,都不行能逆向進行。結(jié)論:自然界中所進行的一切宏觀自發(fā)的物理過程，無論有生命或無生命都是具有方向性。它的逆過程不能自發(fā)地發(fā)生。假如要反向進行，必需借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他改變。這也就是熱力學(xué)其次定律所要告知我們的結(jié)論。四、熱力學(xué)其次定律既然自然界中所進行的一切宏觀自發(fā)的物理過程都有相同的特點，我們可以選取任何一個熱現(xiàn)象的宏觀過程作為描述熱力學(xué)其次定律的基礎(chǔ),或者說熱力學(xué)其次定律有多種表達方式。物理學(xué)家分析了大量的自然現(xiàn)象，又總結(jié)了其次類永動機不行能制成的閱歷，把類似的具有方向性的現(xiàn)象進行概括，得到了熱力學(xué)其次定律。而為了紀念最先幾乎同時提出熱力學(xué)其次定律的兩位科學(xué)家：克勞修斯和開爾文，我們的課本上就選了他們兩人提出的熱傳導(dǎo)具有單向性和機械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能具有單向性作為熱力學(xué)其次定律的表述。讓我們記住他們?yōu)榭茖W(xué)所做出的杰出貢獻。表述1、不行能使熱量由低溫物體傳到高溫物體而不引起其他改變。（克勞修斯在1850年提出）關(guān)于表述1，我們可以通過這樣一個事實理解：通過人為的努力，電冰箱和空調(diào)實現(xiàn)了熱量從低溫物體往高溫物體的傳遞，但是，我們付出了手段方面的代價：購置冰箱的經(jīng)濟代價、能量方面的代價（持續(xù)地繳納電費），甚至付出了環(huán)境方面的代價：--定量探討表明，冰箱釋放給環(huán)境的熱量必定要多于從冷藏室汲取熱量——和空調(diào)一樣，它能使環(huán)境升溫，是一種“損人利己”的獨創(chuàng)（這就是所謂的“其它改變”）。表述2、不行能從單一熱源汲取的熱量,可以全部用來做功而不引起其他改變。其次類永動機是不行能制成的。（開爾文在1851年提出）表述3、不行能讓水從低處流向高處而不引起其他改變。表述4、不行能讓混合氣體分別而不引起其他改變。表述5、不行能讓氣體收縮而不引起其他改變。——這些表述表面上雖然彼此無關(guān)，但它們有共同的特性，都指出有方向性的自發(fā)過程的逆過程必須要引起其他改變。五、熱力學(xué)其次定律的實質(zhì)：熱力學(xué)其次定律發(fā)覺的意義a.揭示了涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性(或都不行逆).b.揭示了遵循能量守恒的過程不見得是可以實現(xiàn)的過程.c.揭示了熱機效率不行能提高到100%.d.揭示了必需有高、低溫兩個熱源才能實現(xiàn)內(nèi)能向機械能的轉(zhuǎn)化.熱力學(xué)其次定律揭示了自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向的規(guī)律，這一過程就是趨向于平衡狀態(tài)的過程。這對人們相識自然、利用自然有重要的指導(dǎo)意義。不僅僅在物理上存在這種"方向性"，在其他領(lǐng)域也都存在。比如：化學(xué)中的不行逆反應(yīng);生物中的進化過程的不行逆都說明白這一點。除了在物理學(xué)方面具有重要意義之外，目前人們已經(jīng)發(fā)覺，熱力學(xué)其次定律在社會學(xué)、哲學(xué)方面的正確性，十年前，就有一本美國人的書給我的印象特殊深，叫做《熵，一種新的世界觀》，它用熱力學(xué)其次定律論證全球化經(jīng)濟和社會問題，得到了人們廣泛的認同。六、能量耗散我們可以用煤炭來取暖，當(dāng)煤炭燒完之后，能量也就被物體汲取完了，盡管這部分能量還存在，但已無法被利用，便于有效利用的能量變?yōu)椴槐阌诶玫臒o效能量的過程，就這樣無情地實現(xiàn)了。所以雖然自然界總的能量是守恒的，由于能量的轉(zhuǎn)化具有方向性，某些自發(fā)進行的能量轉(zhuǎn)化后不能再以原值的大小重新轉(zhuǎn)化回來，盡管總量是不變的但可利用的能在削減——能量在耗散（避開說成是損失）。所以我們還是要節(jié)約能源。以內(nèi)能的形式散失到自然界的能量不能收集起來再加以利用，這種現(xiàn)象叫能量的耗散。七、讓學(xué)生思索幾個問題并探討：1、熱力學(xué)其次定律告知我們一個什么重要問題？意義何在？2、“機械能可完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不行能轉(zhuǎn)化為機械能．”這個說法對嗎？3、你知道還有哪些改變過程（含非物理過程）不行能自發(fā)進行？4、熱力學(xué)第