高中物理魯科版3第五章熱力學(xué)定律第3節(jié)熱力學(xué)第二定律

第3節(jié)熱力學(xué)第二定律第4節(jié)熵——無序程度的量度●課標要求知識與技能1.初步了解熱力學(xué)第二定律．2.運用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移以及方向性問題．3.了解第二類永動機不能制成的原因．4.知道熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)．5.知道熵的概念，了解熵增加原理．6.能用熵增加原理解釋生活中一些現(xiàn)象．過程與方法1.與同學(xué)交流討論熱力學(xué)第二定律的多種不同表述方式的等效性，闡述自己的觀點．2.調(diào)查身邊的能量利用和環(huán)境污染的情況，能運用熱力學(xué)規(guī)律給予解釋，并能提出自己的建議．情感、態(tài)度與價值觀1.具有節(jié)約能源，保護環(huán)境的意識．2.初步樹立“經(jīng)濟、社會與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀.●課標解讀1．知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程具有方向性．知道什么是可逆過程和不可逆過程．2．了解熱機的基本工作原理，理解熱力學(xué)第二定律，知道熱力學(xué)第二定律不同的表述方式是等效的．3．能利用熱力學(xué)第二定律解釋一些物理現(xiàn)象，了解第二類永動機的設(shè)想及其不可能實現(xiàn)的原因．4．了解熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)．5．初步了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量．6．知道熵增加原理及其作用．●教學(xué)地位熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律都是熱力學(xué)的基本定律．二者從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ).●新課導(dǎo)入建議覆水難水君不見黃河之水天上來奔流到海不復(fù)回大家是否發(fā)現(xiàn)一些事件的發(fā)展過程具有方向性、不可逆性？這是本節(jié)課研究的課題．●教學(xué)流程設(shè)計eq\x(\a\al(課前預(yù)習安排：,1.看教材,2.填寫【課前自主導(dǎo)學(xué)】(同學(xué)之間可進行討論)))eq\x(步驟1：導(dǎo)入新課，本節(jié)教學(xué)地位分析)eq\x(步驟2：老師提問，檢查預(yù)習效果(可多提問幾個學(xué)生))?步驟3：師生互動完成“探究1”互動方式除例1外可再變換命題角度，補充一個例題以拓展學(xué)生思路)?eq\x(步驟7：指導(dǎo)學(xué)生完成【當堂雙基達標】，驗證學(xué)習情況)eq\x(步驟6：完成“探究3”(重在講解規(guī)律方法技巧))eq\x(步驟5：師生互動完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同))eq\x(步驟4：讓學(xué)生完成【遷移應(yīng)用】，檢查完成情況并點評)?步驟8：先由學(xué)生自己總結(jié)本節(jié)的主要知識，教師點評，安排學(xué)生課下完成【課后知能檢測】課標解讀重點難點1.了解熱傳導(dǎo)及宏觀過程的方向性．2.了解熱力學(xué)第二定律的多種表述，并用熱力學(xué)第二定律解釋第二類永動機不可能制成的原因．3.了解熵的概念及熵增加原理，并能解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象.1.用熱力學(xué)第二定律解釋熱傳導(dǎo)方向性并能舉出相應(yīng)的例子．(重點)2.用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中能量轉(zhuǎn)化的方向性問題，知道第二類永動機不可能制成的原因．(重點)3.從熵增加原理的角度解釋某些熱現(xiàn)象．(難點)知識1自然過程的方向性1.基本知識(1)可逆過程和不可逆過程①可逆過程：能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，即系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除原來過程對外界的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程．②不可逆過程：如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程．(2)熱傳遞的方向性溫度不同的兩個物體接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．這說明熱傳遞是不可逆過程，具有方向性．(3)功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬姆较蛐栽诮苟娜~輪攪水實驗中，重物下落使水溫上升，是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程；與此相反過程，即水溫自動降低，產(chǎn)生水流，推動葉片轉(zhuǎn)動，帶動重物上升的過程是不可能發(fā)生的，盡管它不違背熱力學(xué)第一定律．可見功轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇@一熱現(xiàn)象是不可逆的，具有方向性．(4)熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ姆较蛐寓贌釞C：消耗內(nèi)能對外做功的裝置．②原理：熱機必須工作在兩個溫度不同的熱源之間，通過工作物質(zhì)，將從高溫熱源吸收的熱量，一部分用來對外做功，另一部分完全損耗掉，損耗的熱量不可能再自動地收集起來．所以熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣@一熱現(xiàn)象也是不可逆的，具有方向性．(5)結(jié)論凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性．2．思考判斷(1)凡是不違背能量守恒的過程都一定能實現(xiàn)．(×)(2)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體．(√)(3)機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，內(nèi)能不可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?×)3．探究交流請舉出日常生活中的一些不可逆過程．【提示】(1)破鏡不能重圓．(2)水從高山流到河谷，不可能自己再返回高山．(3)一滴墨水滴入一杯清水中，墨水擴散均勻后，不可能再自動地凝聚成一滴墨水.知識2熱力學(xué)第二定律的表述1.基本知識(1)第一種表述(克勞修斯表述)不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化．(說明熱傳導(dǎo)的方向性)(2)第二種表述(開爾文表述)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓?說明機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)熱力學(xué)第二定律的這兩種表述是等價的．熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的．(3)第二類永動機①定義從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響的機器．②第二類永動機不可能制成第二類永動機并不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律．③熱力學(xué)第二定律的又一表述第二類永動機是不可能制成的．2．思考判斷(1)第一類永動機違背了能量守恒定律．(√)(2)第二類永動機違背了熱力學(xué)第一定律．(×)(3)第二類永動機違背了熱力學(xué)第二定律．(√)3．探究交流有可能制成第二類永動機嗎？【提示】第二類永動機不可能制成，盡管機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化；機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性．知識3熵和熵增加原理1.基本知識(1)定義用來量度系統(tǒng)無序程度的物理量叫做熵．(2)熵增加原理在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過程必然朝著熵增加的方向進行，孤立系統(tǒng)是指與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)．(3)熱力學(xué)第二定律的微觀本質(zhì)：一切不可逆過程總是沿著大量分子熱運動無序程度增大的方向進行．2．思考判斷(1)熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度．(√)(2)在自然過程中熵總是增加的．(√)(3)熵值越大代表越有序．(×)3．探究交流質(zhì)量相同、溫度相同的水，如圖5－3－1所示分別處于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)下，它們的熵的大小有什么關(guān)系？為什么？氣體液體固體圖5－3－1【提示】根據(jù)大量分子運動對系統(tǒng)無序程度的影響，熱力學(xué)第二定律又有一種表述：由大量分子組成的系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少，這也就是說，任何一個系統(tǒng)自發(fā)變化時，系統(tǒng)的熵要么增加，要么不變，但不會減少．質(zhì)量相同、溫度相同的水，可以由固態(tài)自發(fā)地向液態(tài)、氣態(tài)轉(zhuǎn)化，所以，氣態(tài)時的熵最大，其次是液態(tài)，固態(tài)時的熵最小.課堂互動探究探究1對熱力學(xué)第二定律的理解【問題導(dǎo)思】1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述是什么？2．熱力學(xué)第二定律的不同表述有什么共同的物理意義？1．兩種表述是等價的熱力學(xué)第二定律的兩種表述看上去似乎沒有什么聯(lián)系，然而實際上它們是等價的，即由其中一個，可以推導(dǎo)出另一個．2．克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助，其物理本質(zhì)是揭示了熱傳遞過程是不可逆的．3．開爾文表述中的“單一熱源”指溫度恒定且均勻的熱源．“不引起其他變化”是指唯一效果是熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ饨缂跋到y(tǒng)都不發(fā)生任何變化．其物理實質(zhì)揭示了熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣^程是不可逆的．4．熱力學(xué)第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．特別提醒1．在可以引起其他影響的情況下，熱可以從低溫物體傳到高溫物體，如空調(diào)、冰箱等．2．分析熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用問題時都不能忽視“自發(fā)性”和“不引起其他變化”的物理意義．例一根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法中正確的是()A．電流的電能不可能全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能B．在火力發(fā)電中，燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔蹸．在熱機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體【審題指導(dǎo)】解題的關(guān)鍵是理解熱傳導(dǎo)的方向性和能量轉(zhuǎn)化的方向性．【解析】電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如純電阻電路，而燃氣的內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能和機械能，故A錯誤，B、C正確．根據(jù)熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱傳導(dǎo)的描述，D正確．【答案】BCD遷移應(yīng)用1．下列關(guān)于熱現(xiàn)象的描述正確的是()A．根據(jù)熱力學(xué)定律，熱機的效率可以達到100%B．做功和熱傳遞都是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的C．溫度是描述熱運動的物理量，一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)達到熱平衡時兩系統(tǒng)溫度相同D．物體由大量分子組成，其單個分子的運動是無規(guī)則的，大量分子的運動也是無規(guī)則的【答案】C探究二對熵和熵增加原理的理解【問題導(dǎo)思】1．什么是熵？它是由物體的什么決定的？2．從熵的概念分析，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)是什么？1．熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內(nèi)分子平均動能大小一樣，系統(tǒng)越混亂無序程度越大，這個系統(tǒng)的熵就越大．2．從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展．3．對于絕熱或孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)而言，所發(fā)生的是由非平衡態(tài)向著平衡態(tài)的變化過程，因此，總是朝著熵增加的方向進行．或者說，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減小，這就是熵增加原理．4．在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，如果過程可逆，則熵不變；如果過程不可逆，則熵增加．特別提醒熵增加原理的適用對象是對于孤立系統(tǒng)，如果是非孤立系統(tǒng)，熵有可能減少．例二對于孤立體系中發(fā)生的實際過程，下列說法中正確的是()A．系統(tǒng)的總熵只能增大，不可能減小B．系統(tǒng)的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C．系統(tǒng)逐漸從比較有序的狀態(tài)向無序的狀態(tài)發(fā)展D．系統(tǒng)逐漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展【審題指導(dǎo)】熵是反映系統(tǒng)的無序程度的物理量，根據(jù)熵增加原理，一個孤立系統(tǒng)熵永遠不會減?。卦酱?，無序程度越大．【解析】根據(jù)熵增加原理，一個孤立系統(tǒng)發(fā)生的實際過程，總熵只能增大，A正確，B錯誤．再根據(jù)熵的物理意義，它量度系統(tǒng)的無序程度，熵越大，無序程度越大，故C正確，D錯誤．【答案】AC規(guī)律總結(jié)1．熵增加原理是判斷不同狀態(tài)的物體不可逆過程進行方向的共同標準．2．熵增加原理與能量守恒定律在物理學(xué)中具有同等重要的地位，二者都是對自然過程的一種限制．遷移應(yīng)用2．下列關(guān)于熵的有關(guān)說法錯誤的是()A．熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度B．在自然過程中熵總是增加的C．熱力學(xué)第二定律也叫做熵減小原理D．熵值越大表示系統(tǒng)越無序【解析】根據(jù)熵的定義知A正確．從熵的意義上說，系統(tǒng)自發(fā)變化時總是向著熵增加的方向發(fā)展，B正確．熱力學(xué)第二定律也叫熵增加原理，C錯．熵越大，系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，D正確．故選C.【答案】C探究3綜合解題方略——熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用例三下列說法正確的是()A．物體吸收熱量，其溫度一定升高B．熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞C．遵守熱力學(xué)第一定律的過程一定能實現(xiàn)D．做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式【審題指導(dǎo)】根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱傳遞和做功都可以改變物體的內(nèi)能．再根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可以判定熱現(xiàn)象能不能發(fā)生．【規(guī)范解答】物體吸熱溫度不一定升高，A錯．熱量只能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，B錯．遵守熱力學(xué)第一定律的過程不一定能實現(xiàn)，C錯．應(yīng)選D.【答案】D規(guī)律總結(jié)熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的比較規(guī)律區(qū)別聯(lián)系熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律區(qū)別熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)，否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性熱力學(xué)第二定律是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性的經(jīng)驗總結(jié)聯(lián)系兩定律都是熱力學(xué)基本定律，分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程所遵循的規(guī)律，二者相互獨立，又相互補充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ).課堂小結(jié)【備課資源】(教師用書獨具)可逆過程與不可逆過程1．可逆過程在一個過程發(fā)生時，系統(tǒng)從某個狀態(tài)Ⅰ經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)，最后變化到另一個狀態(tài)Ⅱ.如果使系統(tǒng)進行逆向變化，由狀態(tài)Ⅱ經(jīng)歷與原過程完全一樣的那些中間狀態(tài)，回復(fù)到原狀態(tài)Ⅰ；并且在逆向變化的過程中，原過程對外界所產(chǎn)生的一切影響逐步地被一一消除，在外界不留絲毫痕跡，則由狀態(tài)Ⅰ到狀態(tài)Ⅱ的過程，稱為可逆過程．可逆過程的條件：(1)單純的、無機械能耗散的機械過程是可逆的．例如：一個理想的單擺，在沒有空氣阻力和其他摩擦力作用時，它的擺動過程是可逆的．(2)無摩擦、無耗散(漏氣、散熱或電磁損耗等)的準靜態(tài)過程是可逆的．例如：如果氣體膨脹或壓縮的過程進行得無限緩慢，使氣體在過程中的每一時刻都處于平衡態(tài)，而且沒有漏氣、摩擦和散熱等損耗，則當過程逆向進行時，就能重復(fù)原過程的所有中間狀態(tài)并恢復(fù)原狀，在外界也不留下任何痕跡．即在不考慮摩擦、漏氣和散熱等損耗的理想情形下，準靜態(tài)過程是可逆的．(