2020-2021學年高中物理 第10章 熱力學定律 4 熱力學第二定律教案4 新人教版選修3-3

1、2020-2021學年高中物理 第10章 熱力學定律 4 熱力學第二定律教案4 新人教版選修3-32020-2021學年高中物理 第10章 熱力學定律 4 熱力學第二定律教案4 新人教版選修3-3年級：姓名：- 9 -熱力學第二定律【教學目標】一、知識和技能1、能判斷涉及熱現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典表述；3、形成關于宏觀熱現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。二、過程和方法：分析各種熱學現象的過程，歸納出現象背后的普遍規(guī)律熱力學第二定律。三、情感、態(tài)度和價值觀1、體會科學發(fā)現的曲折性和必然性；2、體會熱力

2、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：熱力學第二定律內容的理解。難點：熱力學第二定律的兩種表述的理解?！窘虒W用具】多媒體課件、燒杯、鋼筆、冰淇淋【教學過程】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：室內溫度有變化嗎？升高？不變？降低？想預測這個結論而且能解釋它，這就涉及到我們今天學習的內容熱力學第二定律。2、復習能的轉化和守恒定律, 指出第一類永動機不能制成的原因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可能實現的。那么反過來, 是不是遵守能

3、量守恒定律的過程就可以實現呢? 如果都能實現的話, 就可以實現下面一個例子(課本上p83-84 的例子) 。大家知道, 地球上有很多的海水, 約有1.41018 , 只要讓地球上的海水每降低0.1, 由公式q=cmt就可求出所釋放的能量q=5.81023 j。這個能量相當于地球上1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量, 如果我們拿來利用的話, 我們的能源問題不就可以解決了嗎? 為什么我們人類不去開發(fā)利用它? 但可以肯定的一點是, 它并沒有違反能量守恒定律。事實上是不可能的, 因為它還要遵循另外一條定律熱力學第二定律。二、熱力學第二定律建立的歷史背景19世紀初, 由巴本、紐卡門等人發(fā)

4、明的蒸汽機經過許多人特別是瓦特的重大改進, 已廣泛應用于工廠、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。但當時人們對蒸汽機的理論研究還是非常缺乏的。可是人們遇到了一個非常實際的問題: 如何提高蒸汽機的效率問題。很多科學家和工業(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能轉化為機械能?？墒聦嵶C明無論怎樣改良熱機, 消除額外的能量損失, 都只能把很少一部分的內能轉化為機械。實驗和理論證明即使在理想狀態(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？科學家們經過在這個問題的推動下, 發(fā)現了熱力學第二定律, 并用它去解決與熱現象

5、有關的問題。三、熱力學第二定律的發(fā)現熱力學第二定律并不神秘，在座的各位都可以從身邊很多自然過程中發(fā)現它。現在就讓我們先來觀察一個小實驗。1、滴一滴墨水到一杯清水里，可以看到墨水的擴散現象。這個現象是自發(fā)進行的，我們并沒有給予任何幫助；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，即需要外界對這杯水做功，于是外界發(fā)生了變化，產生了影響，這種影響是不可能消除的。板書：墨水的擴散現象：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，它最后會因為周圍相對高溫空氣傳遞熱量給它而使它慢慢融化。分析：熱量會自發(fā)的從高溫物體傳給低溫物體，結果使溫度低的物體溫度升高，溫度

6、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周圍相對高溫的空氣呢？最后冰淇淋不會融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：學生可能說“能”，比如說冰箱。解釋什么是“自發(fā)地”？“自發(fā)地”：是沒有任何外界的影響或幫助?？照{、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：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：熱傳導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

7、自發(fā)地進行，必須借助外界的幫助。自然界中所涉及熱現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，關閉油門后，由于克服摩擦力做功，最后總要停下來。在這個過程中，因為摩擦生熱，汽車的機械能轉化為內能，內能的增量一部分轉移到汽車和地面，一部分轉移到了空中, 使汽車的溫度升高。在這轉化中能量守恒，汽車的機械能完全轉化為環(huán)境的內能。板書：汽車：機械能內能依據能量轉化和守恒定律理論，內能同樣可以轉化機械能中的動能，但是誰會看到這樣的現象: 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能自發(fā)地轉化為機械能, 使這

8、輛汽車動起來，這在夏天是一件多么美妙的事情。汽車不用耗油，通過降低汽車自身的溫度，可以把內能自發(fā)地轉化為動能，使汽車一面降溫一面跑起來，在這轉化中能量守恒，沒有違反能量轉化和守恒定律。我們沒有見過這類情況，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，是將內能轉化為機械能的裝置。如內燃機、蒸汽機、燃氣輪機（熱電廠）、燃氣渦輪（噴氣飛機）。正常熱機將從高溫熱源吸收的部分熱量轉化為機械能,另一部分傳送到低溫熱源(即冷凝器) ,如圖3.該過程可看成人工制冷的逆過程. 以內燃機為例：氣體燃燒時產生的熱量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。根據能量守恒

9、q1=w+q2,如果我們把熱機做的功w和它從熱源吸收的熱量q1的比值叫做熱機的效率，用表示效率，則有問：我們也都知道w q1,也就是不可能達到100，那是為什么？分析：熱機構造必須有熱源和冷凝器，工作時，總要向冷凝器散熱，因此要損失熱量。 若熱機的效率提高到 100 %,則 q1 = w , q2 =0,如圖4,低溫熱源可以取消,這樣的熱機叫第二類永動機。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吸收熱量，可以全部用來做功，第二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。如果第二類永動機能夠制成，它就可以從外界諸

10、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)榇俗龀隽嗽S多努力，做了大量的嘗試，但是第二類永動機始終還是沒能制成。伴隨著一次次的失敗，終于認識到第二類永動機是不可能制成的。 第二類永動機的失敗，說明機械能和內能之間的轉化有著方向性：機械能可以全部轉化為內能，但內能不能全部轉化為機械能（肯定引起其他變化）。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取我們所需要的能量。5、其他例子：煤炭燃燒可以放出熱量, 而反過來則不可能把放出的熱量完全收回再變成煤炭; 生命的孕育、生長、衰老、死亡, 都

11、不可能逆向進行。結論: 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。如果要反向進行，必須借助外界的幫助，因而產生其他影響或引起其他變化。這也就是熱力學第二定律所要告訴我們的結論。四、熱力學第二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象的宏觀過程作為描述熱力學第二定律的基礎, 或者說熱力學第二定律有多種表達方式。物理學家分析了大量的自然現象，又總結了第二類永動機不可能制成的經驗，把類似的具有方向性的現象進行概括，得到了熱力學第二定律。而為了紀念最先幾乎同時提出熱力學第二定律的兩位科學家：克勞修斯

12、和開爾文，我們的課本上就選了他們兩人提出的熱傳導具有單向性和機械能轉變成內能具有單向性作為熱力學第二定律的表述。讓我們記住他們?yōu)榭茖W所做出的杰出貢獻。表述1、不可能使熱量由低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。（克勞修斯在1850年提出）關于表述1，我們可以通過這樣一個事實理解：通過人為的努力，電冰箱和空調實現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：-定量研究表明，冰箱釋放給環(huán)境的熱量必然要多于從冷藏室吸收熱量和空調一樣，它能使環(huán)境升溫，是一種“損人利己”的發(fā)明（這就是所謂的“其它變化”）

13、。表述2、不可能從單一熱源吸收的熱量, 可以全部用來做功而不引起其他變化。第二類永動機是不可能制成的。（開爾文在1851年提出）表述3、不可能讓水從低處流向高處而不引起其他變化。表述4、不可能讓混合氣體分離而不引起其他變化。表述5、不可能讓氣體收縮而不引起其他變化。這些表述表面上雖然彼此無關，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變化。五、熱力學第二定律的實質：熱力學第二定律發(fā)現的意義a.揭示了涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性(或都不可逆).b.揭示了遵循能量守恒的過程不見得是可以實現的過程.c.揭示了熱機效率不可能提高到 100 %.d.揭示了必須有高、低溫兩個熱

14、源才能實現內能向機械能的轉化.熱力學第二定律揭示了自然界中涉及熱現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。這對人們認識自然、利用自然有重要的指導意義。不僅僅在物理上存在這種方向性，在其他領域也都存在。比如：化學中的不可逆反應;生物中的進化過程的不可逆都說明了這一點。除了在物理學方面具有重要意義之外，目前人們已經發(fā)現，熱力學第二定律在社會學、哲學方面的正確性，十年前，就有一本美國人的書給我的印象特別深，叫做熵，一種新的世界觀，它用熱力學第二定律論證全球化經濟和社會問題，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，當煤炭燒完之后，能量也就被物體吸收完了，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，就這樣無情地實現了。所以雖然自然界總的能量是守恒的，由于能量的轉化具有方向性，某些自發(fā)進行的能量轉化后不能再以原值的大小重新轉化回來，盡管總量是不變的但可利用的能在減少能量在耗散（避免說成是損失）。所以我們還是要節(jié)約能源。以內能的形式散失到自然界的能量不能收集起來再加以利用，這種現象叫能量的耗散。七、讓學生思考幾個問題并討論：1、熱力學第二定律告訴我們一個什么重要問題？意義何在？2、“機械能可完全轉化為內能，而內能不可能轉化為機械能”這個說法對嗎？3、你知道還有哪些變化過程（含非物理過程）不可能自發(fā)進行