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(biāo)】一、學(xué)問(wèn)和技能1、能推斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)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(shí)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(guò)程和方法：分析各種熱學(xué)現(xiàn)象的過(guò)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(jià)值觀1、體會(huì)科學(xué)發(fā)覺(jué)的曲折性和必定性；2、體會(huì)熱力學(xué)其次定律對(duì)于人類(lèi)實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】重點(diǎn)：熱力學(xué)其次定律內(nèi)容的理解。難點(diǎn)：熱力學(xué)其次定律的兩種表述的理解?！窘虒W(xué)用具】多媒體課件、燒杯、鋼筆、冰淇淋【教學(xué)過(guò)程】一、課程引入1、播放錄像《電冰箱》，問(wèn)：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(gè)封閉的房間里，把正在工作的電冰箱門(mén)打開(kāi)，請(qǐng)問(wèn)：室內(nèi)溫度有改變嗎？上升？不變？降低？想預(yù)料這個(gè)結(jié)論而且能說(shuō)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(lèi)永動(dòng)機(jī)不能制成的緣由是因?yàn)樗`反能量守恒定律。然后提出問(wèn)題：凡是違反能量守恒定律的過(guò)程都是不行能實(shí)現(xiàn)的。那么反過(guò)來(lái),是不是遵守能量守恒定律的過(guò)程就可以實(shí)現(xiàn)呢?假如都能實(shí)現(xiàn)的話(huà),就可以實(shí)現(xiàn)下面一個(gè)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(gè)能量相當(dāng)于地球上1800萬(wàn)個(gè)功率為100萬(wàn)千瓦的核電站一年的發(fā)電量,假如我們拿來(lái)利用的話(huà),我們的能源問(wèn)題不就可以解決了嗎?為什么我們?nèi)祟?lèi)不去開(kāi)發(fā)利用它?但可以確定的一點(diǎn)是,它并沒(méi)有違反能量守恒定律。事實(shí)上是不行能的,因?yàn)樗€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(jì)初,由巴本、紐卡門(mén)等人獨(dú)創(chuàng)的蒸汽機(jī)經(jīng)過(guò)很多人特殊是瓦特的重大改進(jìn),已廣泛應(yīng)用于工廠、礦山、交通運(yùn)輸,可以說(shuō)它給世界工業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)前所未有的巨大革命。但當(dāng)時(shí)人們對(duì)蒸汽機(jī)的理論探討還是特別缺乏的?？墒侨藗冇龅搅艘粋€(gè)特別實(shí)際的問(wèn)題:如何提高蒸汽機(jī)的效率問(wèn)題。很多科學(xué)家和工業(yè)家又在追求熱機(jī)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(jī)械能?？墒聦?shí)證明無(wú)論怎樣改良熱機(jī),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(jī)械。試驗(yàn)和理論證明即使在志向狀態(tài)下使熱機(jī)工作,熱機(jī)的工作效率最高,但是離百分之百還是差的很遠(yuǎn)。為什么呢？科學(xué)家們經(jīng)過(guò)在這個(gè)問(wèn)題的推動(dòng)下,發(fā)覺(jué)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(wèn)題。三、熱力學(xué)其次定律的發(fā)覺(jué)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(guò)程中發(fā)覺(jué)它?，F(xiàn)在就讓我們先來(lái)視察一個(gè)小試驗(yàn)。1、滴一滴墨水到一杯清水里，可以看到墨水的擴(kuò)散現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象是自發(fā)進(jìn)行的，我們并沒(méi)有賜予任何幫助；這里“自發(fā)”兩個(gè)字很重要，因?yàn)槲覀兺耆梢酝ㄟ^(guò)各種方式把這滴墨水重新收集在一起，即須要外界對(duì)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?shū)：墨水的擴(kuò)散現(xiàn)象：聚合狀的墨水——→分散狀的墨水2、請(qǐng)看一根冰淇淋放在空氣中，它最終會(huì)因?yàn)樗闹芟鄬?duì)高溫空氣傳遞熱量給它而使它漸漸溶化。分析：熱量會(huì)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(wèn)：有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，冰淇淋會(huì)不會(huì)自動(dòng)把熱量傳遞給四周相對(duì)高溫的空氣呢？最終冰淇淋不會(huì)溶化反而越來(lái)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(shuō)“能”，比如說(shuō)冰箱。說(shuō)明什么是“自發(fā)地”？“自發(fā)地”：是沒(méi)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(shū)：熱傳導(dǎo)：高溫物體——→低溫物體類(lèi)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。總結(jié)：熱傳導(dǎo)的過(guò)程是有方向性的，這個(gè)過(guò)程可以自發(fā)的從一個(gè)方向自發(fā)地進(jìn)行；但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進(jìn)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(guò)程都具有方向性。實(shí)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(gè)在水平面上行駛的汽車(chē)，關(guān)閉油門(mén)后，由于克服摩擦力做功，最終總要停下來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)槟Σ辽鸁?，汽?chē)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的增量一部分轉(zhuǎn)移到汽車(chē)和地面，一部分轉(zhuǎn)移到了空中,使汽車(chē)的溫度上升。在這轉(zhuǎn)化中能量守恒，汽車(chē)的機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為環(huán)境的內(nèi)能。板書(shū)：汽車(chē)：機(jī)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(jī)械能中的動(dòng)能，但是誰(shuí)會(huì)看到這樣的現(xiàn)象:一個(gè)停放在水平面上的汽車(chē),靠降低溫度,可以把釋放出來(lái)的內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,使這輛汽車(chē)動(dòng)起來(lái)，這在夏天是一件多么奇妙的事情。汽車(chē)不用耗油，通過(guò)降低汽車(chē)自身的溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使汽車(chē)一面降溫一面跑起來(lái)，在這轉(zhuǎn)化中能量守恒，沒(méi)有違反能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。我們沒(méi)有見(jiàn)過(guò)這類(lèi)狀況，并不是人們沒(méi)有想到，而是有困難?；卮疬@個(gè)問(wèn)題之間我們先介紹熱機(jī)。熱機(jī)，是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（熱電廠）、燃?xì)鉁u輪（噴氣飛機(jī)）。正常熱機(jī)將從高溫?zé)嵩醇橙〉牟糠譄崃哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能,另一部分傳送到低溫?zé)嵩?即冷凝器),如圖3.該過(guò)程可看成人工制冷的逆過(guò)程.以?xún)?nèi)燃機(jī)為例：氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量Q1,推動(dòng)活塞做功W，然后放出熱氣，同時(shí)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(jī)做的功W和它從熱源汲取的熱量Q1的比值叫做熱機(jī)的效率，用η表示效率，則有問(wèn)：我們也都知道W>Q1,也就是η不行能達(dá)到100％，那是為什么？分析：熱機(jī)構(gòu)造必需有熱源和冷凝器，工作時(shí)，總要向冷凝器散熱，因此要損失熱量。②若熱機(jī)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(jī)叫其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)。能不能制造出沒(méi)有冷凝器的熱機(jī)呢？那就變成只有單一的熱源，機(jī)器從這個(gè)單一熱源中汲取熱量，可以全部用來(lái)做功，其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)就是指這類(lèi)遵守能量守恒定律，沒(méi)有冷凝器的從單一熱源不斷獲得能量并全部用來(lái)做功的機(jī)器。假如其次類(lèi)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(duì)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(huà)飛機(jī)不用帶油箱，輪船不用帶燃料。人們?yōu)榇俗龀隽撕芏嗯?，做了大量的嘗試，但是其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)始終還是沒(méi)能制成。伴隨著一次次的失敗，最終相識(shí)到其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不行能制成的。其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)的失敗，說(shuō)明機(jī)械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化有著方向性：機(jī)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(jī)械能（確定引起其他改變）。所以我們?cè)跊](méi)有冷凝器的條件下，無(wú)法通過(guò)降低海水溫度來(lái)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(guò)來(lái)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(zhǎng)、蒼老、死亡,都不行能逆向進(jìn)行。結(jié)論:自然界中所進(jìn)行的一切宏觀自發(fā)的物理過(guò)程，無(wú)論有生命或無(wú)生命都是具有方向性。它的逆過(guò)程不能自發(fā)地發(fā)生。假如要反向進(jìn)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(jìn)行的一切宏觀自發(fā)的物理過(guò)程都有相同的特點(diǎn)，我們可以選取任何一個(gè)熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程作為描述熱力學(xué)其次定律的基礎(chǔ),或者說(shuō)熱力學(xué)其次定律有多種表達(dá)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(lèi)永動(dòng)機(jī)不行能制成的閱歷，把類(lèi)似的具有方向性的現(xiàn)象進(jìn)行概括，得到了熱力學(xué)其次定律。而為了紀(jì)念最先幾乎同時(shí)提出熱力學(xué)其次定律的兩位科學(xué)家：克勞修斯和開(kāi)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(jī)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(xiàn)。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(guò)這樣一個(gè)事實(shí)理解：通過(guò)人為的努力，電冰箱和空調(diào)實(shí)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(jià)：購(gòu)置冰箱的經(jīng)濟(jì)代價(jià)、能量方面的代價(jià)（持續(xù)地繳納電費(fèi)），甚至付出了環(huán)境方面的代價(jià)：--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(dú)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(lái)做功而不引起其他改變。其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不行能制成的。（開(kāi)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?！@些表述表面上雖然彼此無(wú)關(guān)，但它們有共同的特性，都指出有方向性的自發(fā)過(guò)程的逆過(guò)程必須要引起其他改變。五、熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)：熱力學(xué)其次定律發(fā)覺(jué)的意義a.揭示了涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性(或都不行逆).b.揭示了遵循能量守恒的過(guò)程不見(jiàn)得是可以實(shí)現(xiàn)的過(guò)程.c.揭示了熱機(jī)效率不行能提高到100%.d.揭示了必需有高、低溫兩個(gè)熱源才能實(shí)現(xiàn)內(nèi)能向機(jī)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(guò)程都具有方向的規(guī)律，這一過(guò)程就是趨向于平衡狀態(tài)的過(guò)程。這對(duì)人們相識(shí)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(jìn)化過(guò)程的不行逆都說(shuō)明白這一點(diǎn)。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(jué)，熱力學(xué)其次定律在社會(huì)學(xué)、哲學(xué)方面的正確性，十年前，就有一本美國(guó)人的書(shū)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(jì)和社會(huì)問(wèn)題，得到了人們廣泛的認(rèn)同。六、能量耗散我們可以用煤炭來(lái)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(wú)法被利用，便于有效利用的能量變?yōu)椴槐阌诶玫臒o(wú)效能量的過(guò)程，就這樣無(wú)情地實(shí)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(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化后不能再以原值的大小重新轉(zhuǎn)化回來(lái)，盡管總量是不變的但可利用的能在削減——能量在耗散（避開(kāi)說(shuō)成是損失）。所以我們還是要節(jié)約能源。以?xún)?nèi)能的形式散失到自然界的能量不能收集起來(lái)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(gè)問(wèn)題并探討：1、熱力學(xué)其次定律告知我們一個(gè)什么重要問(wèn)題？意義何在？2、“機(jī)械能可完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不行能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．”這個(gè)說(shuō)法對(duì)嗎？3、你知道還有哪些改變過(guò)程（含非物理過(guò)程）不行能自發(fā)進(jìn)行？4、熱力學(xué)第