《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)設(shè)計(jì)正式版

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上熱力學(xué)第二定律教學(xué)設(shè)計(jì)臨高中學(xué) 王帥 【教學(xué)目標(biāo)】 一、知識和技能 1、了解涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是具有方向性的，認(rèn)識到一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的； 2、知道熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述，明白兩種表述的物理實(shí)質(zhì)； 3、 了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可以制成；4、認(rèn)識到熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律具有同樣重要的意義。 二、過程和方法 學(xué)會(huì)分析身邊的物理生活實(shí)例，各種熱力學(xué)過程，從而對比總結(jié)歸納出自然現(xiàn)象背后的普遍規(guī)律，利用有針對性的實(shí)例分析培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力

2、。 三、情感、態(tài)度和價(jià)值觀 1、正確看待科學(xué)發(fā)展的曲折性； 2、一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程必須同時(shí)遵守?zé)崃W(xué)第一，第二定律才能發(fā)生。【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】 重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律及所反映出的熱現(xiàn)象的宏觀過程的“方向性”。 難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律中所描述的 “自發(fā)”和“不產(chǎn)生其他影響"。 教學(xué)流程： 一、引入新課 師：上節(jié)課我們剛剛學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律，即內(nèi)能與其他形式的能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能量守恒定律。能量守恒定律是自然界最基本，最重要的自然法則，不管是力學(xué)的，熱學(xué)的，化學(xué)的，生物學(xué)的等等學(xué)科都要遵守在這一自然規(guī)律中，那么

3、，是否凡是符合能量守恒的自然宏觀過程都能發(fā)生呢？ 生：可以發(fā)生.不可以發(fā)生. 師：請大家看看下列這些情況：（圖片 視頻展示特定的一些方向性問題） 小結(jié)：涉及熱現(xiàn)象的自然宏觀過程可以自發(fā)地朝某個(gè)方向進(jìn)行，相反的過程，雖不違背能量守恒定律，卻不能自發(fā)進(jìn)行。反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱二定律。 二、進(jìn)行新課師：熱力學(xué)第一定律涉及內(nèi)能的轉(zhuǎn)移（熱傳遞），內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化問題（做功），我們分別來研究這兩類問題的方向性問題：（一）、內(nèi)能轉(zhuǎn)移的方向性師：內(nèi)能轉(zhuǎn)移的實(shí)質(zhì)就是熱傳遞。舉例：問題1 ：一杯開水放置過久些溫度降低了；買回來冰激凌不趕緊吃就融化了，溫度升高了，引導(dǎo)

4、學(xué)生對比分析兩種差異現(xiàn)象的原因。（熱量可以從高溫物體傳遞給低溫物體，這里無需人為第三方去影響它就可以“自發(fā)”進(jìn)行）師：分析熱傳導(dǎo)過程，要發(fā)生熱傳導(dǎo)必須具備什么條件？ 生：要有溫度差。師：那么自發(fā)的熱傳導(dǎo)過程有什么特征？ 生：總是從高溫物體向低溫物體傳導(dǎo)。 師：熱量能否從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體？請大家相互討論一下。 （學(xué)生分組討論） 生1：不能，諸如冰淇淋融化、水溫降低的現(xiàn)象。 生2：可能的，電冰箱工作時(shí)就是將熱量從低溫環(huán)境傳導(dǎo)到高溫環(huán)境。 學(xué)生3：把一瓶常溫的飲料放入冰箱，它的熱量還能傳遞到冰箱外的空氣中. 學(xué)生4：夏天開空調(diào).生1：電冰箱工作

5、時(shí)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(shí)現(xiàn)上述熱量傳導(dǎo)過程；生3：電冰箱工作時(shí)，消耗了電能。 師：可見，熱量傳導(dǎo)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(dá)到制冷效果的。比如停電兩天后，所有的冰淇淋全部融化掉了。熱量從高溫物體向低溫物體傳遞是一個(gè)“自發(fā)”的過程，熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移也可以實(shí)現(xiàn)，但不是自發(fā)進(jìn)行，需要第三者的介入。（展示幻燈片）師：早在1850年德國物理學(xué)家克勞修斯總結(jié)了熱傳導(dǎo)過程的規(guī)律，稱之為熱力學(xué)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：熱量不可能從低溫物體

6、傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響。不可能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化(不付出其他代價(jià))補(bǔ)充：這里付出的代價(jià)就是引起其他方面的變化，消耗電能等等.（二）、內(nèi)能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化 師：足球在草坪上滾動(dòng)最終停下來，試分析該過程中的能量轉(zhuǎn)化情況。生：足球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。師：再比如小球從高處落下掉進(jìn)沙坑，能量的轉(zhuǎn)化情況怎樣？生：小球的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。師：機(jī)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(jī)械能？生1：不能，因?yàn)樯厦娴倪^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(cuò)。這一問題先擱一下，我們再分析兩個(gè)實(shí)例：一是熱機(jī)；二

7、是內(nèi)燃機(jī)。（展示flash動(dòng)畫）請觀察熱機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的工作流程，并分析能量轉(zhuǎn)化的情況。生1：熱機(jī)工作過程中，鍋爐中的水被加熱變成水蒸氣，水蒸氣推動(dòng)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：煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為水蒸汽的內(nèi)能，再變?yōu)榛钊\(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。生2：內(nèi)燃機(jī)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(yùn)動(dòng)壓縮混合氣體，點(diǎn)火后混合氣體爆炸，推動(dòng)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(jī)械能。師：以上兩個(gè)過程都存在內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象。請分析這些過程中，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎？生3：不能，因?yàn)闄C(jī)械裝置存在摩擦損耗，要消耗部

8、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(jī)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(jī)或內(nèi)燃機(jī)就是從高溫?zé)嵩次諢崃縌1，其中對外做功為W，到低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2。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。這就是熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明說明人們開始了熱機(jī)理論的研究，（"熱機(jī)"就是一種

9、把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)械） Q1 = Q2 + W如果這一類永動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)始終還是沒能制成。伴隨著一次次的失敗，終于認(rèn)識到第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。即:第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。師：從效率的角度，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(jī)。師：這種說法更簡潔。事實(shí)上，一般的汽車上的汽油機(jī)械效率只有20%30%，蒸汽輪機(jī)的效率比較高，也只能達(dá)到60% 。師：思考

10、與討論：為何失敗？如何制作第二類永動(dòng)機(jī)？大家動(dòng)動(dòng)腦筋環(huán)節(jié)：能不能幫忙設(shè)計(jì)可行的“永動(dòng)機(jī)”分組討論.說明熱力學(xué)第二定律兩種表述形式實(shí)質(zhì)是一樣的，只是側(cè)重角度不同：1、克勞修斯表述體現(xiàn)熱傳導(dǎo)的方向性2、開爾文表述體現(xiàn)機(jī)械能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化的方向性（三）、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)師：熱傳導(dǎo)過程與功熱轉(zhuǎn)化過程的分析，得到了熱力學(xué)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(diǎn)是什么？生：都指明了物理進(jìn)程的一種方向性。師：不錯(cuò)，熱力學(xué)第二定律的實(shí)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(jìn)行方向的說明可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。請觀察擴(kuò)散現(xiàn)象、氣體向真空擴(kuò)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(xué)第二定律的其他表述呢？生1：熱力學(xué)第二定律也可表述為：擴(kuò)散過程是不可逆的生2：熱力學(xué)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(cuò)，當(dāng)然還有其他不同的表述，所有的這些表述都是等價(jià)的。請同學(xué)們課后相互討論交