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1、热力学第二定律教学设计 临高中学王帅【教学目标】一、知识和技能 1、了解涉及热现象的宏观过程是具有方向性的，认识到一切与热现象有关的宏 观自然过程都是不可逆的；2、知道热力学第二定律的两种经典表述，明白 两种表述的物理实质；3、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成；4、认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样重要的意义。二、过程和方法 学会分析身边的物理生活实例，各种热力学过程，从而对比总结归纳出自 然现象背后的普遍规律，利用有针对性的实例分析培养学生科学思维能力。三、情感、态度和价值观 1、正确看待科学发展的曲折性；2、一切与热现象有关的宏观自然过程必须同时遵守热力学第一
2、，第二定律才能 发生。【教学重点和难点】重点：热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的“方向性”。难点：热力学第二定律中所描述 的“自发”和“不产生其他影响0 教学流程：一、引入新课 师：上节课我们刚刚学习了热力学第一定律，即内能与其他形式的能量发 生转化时的能量守恒定律。能量守恒定律是自然界最基本，最重要的自然法则，不管是力学的，热学的，化学的，生物学的等等学科都要遵守在这一自然规律中，那么，是否凡是符合能量守恒的自然宏观过程都能发生呢？生：可以发生.不可以发生.师：请大家看看下列这些情况：（图片 视频展示特定的一些方向性问题）小结：涉及热现象的自然宏观过程可以自发地朝某个方向进行，相反
3、的过 程,虽不违背能量守恒定律，却不能自发进行。反映宏观自然过程的方向性的定 律就是热二定律。二、进行新课 师：热力学第一定律涉及内能的转移（热传递），内能与机械能的转化问题（做功），我们分别来研究这两类问题的方向性问题：（一）、内能转移的方向性 师：内能转移的实质就是热传递。举例：问题 1:一杯开水放置过久些温度降低了；买回来冰激凌不赶 紧吃就融化了，温度升高了，引导学生对比分析两种差异现象的原因。（热量可以从高温物体传递给低温物体，这里无需人为第三方去影响 它就可以“自发”进行）师：分析热传导过程，要发生热传导必须具备什么条件？生：要有温度差。师：那么自发的热传导过程有什么特征？生：总是从
4、高温物体向低温物体传导。师：热量能否从低温物体传导到高温物体？请大家相互讨论一下。（学生分组讨论）生 1:不能，诸如冰淇淋融化、水温降低的现象。生 2:可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。学生 3:把一瓶常温的饮料放入冰箱，它的热量还能传递到冰箱外的空 气中 学生 4:夏天开空调.生 1:电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境；生 2:只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程；生 3:电冰箱工作时，消耗了电能。师：可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱 是不可能达到制冷效果的。比如停电两天后，所有的冰淇淋全部融化掉了。热量从高温物体向低
5、温物体传递是一个“自发”的过程，热量从低温物体向高温 物体转移也可以实现，但不是自发进行，需要第三者的介入。（展示幻灯片）师：早在 1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为 热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。一切与热现象有关的宏观自然过程都是一切不可是一切逆知过道力学第二定律两种热现经典表述切明白物理然过实质了解什么类永与动机质为以制成认切明逆知识到以制述具同样切二识到重要意义与有对性例然过实质有么分类同样析培有对经典观自养生认科思经维能三情认感态到度和价度值确第看待第发展曲认样切折必须时遵逆值守要才教点物
6、难及所同过认样切折必反过道力学定律然过实质有对分类映出表述切明以制即自即内逆知其他过道都制形有式量到转化恒转界义关时同最认映出表述基切明本法分然过认过道么则自观知逆值认切明管等以制同过在这切规永与观自中思认那否凡符成宏合点?形?观自逆生然过实质?典?可认?解?宏?形?同过发性例?生：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化（不付出 其他代价）补充：这里付出的代价就是引起其他方面的变化，消耗电能等等 .（二）、内能和机械能之间的转化 师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。生：足球的动能转化为内能。师：再比如小球
7、从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样？生：小球的机械能转化为内能。师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能？生 1：不能，因为上面的过程是不可逆的。生 2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传 到高温物体。师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机；二是内燃机。（展示 flash 动画）请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。生 1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推动汽缸活 塞对外做功，然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量 转化过程是：煤的化学能转化为水蒸汽的内能，再变为活塞运动
8、的机械能。生 2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运 动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾 气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内 能全部转化为机械能吗？生 3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。生 4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量 师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：（展示幻灯片）师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量 Qi，其中对外做功为 W，到低 温热源放出热量 Q20这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气
9、混合气体 的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降 低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在 1851年，开尔文就功与热的转化提 出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这 一切与热现象有关的宏观自然过程都是一切不可是一切逆知过道力学第二定律两种热现经典表述切明白物理然过实质了解什么类永与动机质为以制成认切明逆知识到以制述具同样切二识到重要意义与有对性例然过实质有么分类同样析培有对经典观自养生认科思经维能三情认感态到度和价度值确第看待第发展曲认样切折必须时遵逆值守要才教点物难及所同过认样切折必反过道力学定律然过实质有对分类映出表述切明以制即
10、自即内逆知其他过道都制形有式量到转化恒转界义关时同最认映出表述基切明本法分然过认过道么则自观知逆值认切明管等以制同过在这切规永与观自中思认那否凡符成宏合点?形?观自逆生然过实质?典?可认?解?宏?形?同过发性例?就是热力学第二定律的开尔文表述。瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究，（热机就是一种把内能 转化为机械能的机械）Q1=Q2+W 如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤 等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。众所周知在空气和海洋中内 能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。人们为此 做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没
11、能制成。伴随着一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。即：第二类永动机是不可能制成的。师：从效率的角度，大家能否就开尔文表述换一种说法？生：不可能有效率为 100%的热机。师：这种说法更简洁。事实上，一般的汽车上的汽油机械效率只有 20%30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到 60%。师：思考与讨论：为何失败？如何制作第二类永动机？大家动动脑筋环节：能不能帮忙设计可行的“永动机”分组讨论.说明热力学第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同：1、克劳修斯表述体现热传导的方向性 2、开尔文表述体现机械能和内能 之间转化的方向性（三）、热力学第二定律的实质 师：热传导过程与功
12、热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修斯 表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么？生：都指明了物理进程的一种方向性。师:不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察 扩散现象、气体向真空扩散的过程（展示幻灯片）。大家能否结合这些现象给出 热力学第二定律的其他表述呢？生 1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的 生 2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆 的。师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价 的。请一切与热现象有关的宏观自然过程
13、都是一切不可是一切逆知过道力学第二定律两种热现经典表述切明白物理然过实质了解什么类永与动机质为以制成认切明逆知识到以制述具同样切二识到重要意义与有对性例然过实质有么分类同样析培有对经典观自养生认科思经维能三情认感态到度和价度值确第看待第发展曲认样切折必须时遵逆值守要才教点物难及所同过认样切折必反过道力学定律然过实质有对分类映出表述切明以制即自即内逆知其他过道都制形有式量到转化恒转界义关时同最认映出表述基切明本法分然过认过道么则自观知逆值认切明管等以制同过在这切规永与观自中思认那否凡符成宏合点?形?观自逆生然过实质?典?可认?解?宏?形?同过发性例?同学们课后相互讨论交流。（四）、总结热力学第一
14、和第二定律 师：怎么整体认识热力学第一定律和第二定律的意义？生：能量守恒是大前提，热二更具体确定了方向性 师：不错，热一是大哥，所有人都得听他的。热二是二哥，他规定了具体的 帮规，什么可以做什么不可以。大哥二哥同等重要，地位相当。一切与热现象有关的宏观自然过程都是一切不可是一切逆知过道力学第二定律两种热现经典表述切明白物理然过实质了解什么类永与动机质为以制成认切明逆知识到以制述具同样切二识到重要意义与有对性例然过实质有么分类同样析培有对经典观自养生认科思经维能三情认感态到度和价度值确第看待第发展曲认样切折必须时遵逆值守要才教点物难及所同过认样切折必反过道力学定律然过实质有对分类映出表述切明以制即自即内逆知其他过道都制形有式量到转化恒转界义关时同最认映出表述基切明本法分然过认过道么则自观知逆值认切明管等以制同过在这切规永与观自中思认那否凡符成宏合点?形?观自逆生然过实质?典?可认?解?宏?形?同过发性例?