高中物理人教版 (新课标)选修34 热力学第二定律教案设计

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§11.6 热力学第二定律要 点：了解热传导过程的方向性 理解第二类永动机不可能的原因 了解热力学第二定律的不同表达以及实质教学难点：用热传导过程的方向性解释第二类永动机的不可能考试要求：高考Ⅰ（热力学第二定律、永动机不可能、绝对零度不可达到），会考课堂设计：从学生比较熟悉热传导过程的方向性入手，从平时很少关注的方向性方式入手研究，调动学生的思维并为热力学第二定律作准备。第二类永动机由于没有违背能量的转化和守恒定律更具有欺骗性，应立足热传导过程的方向性来帮助学生理解。能量的耗散应从能量（守恒）的角度来考察，并保证对生活实例有指导性。解决难点：先引导关注热传导过程的方向性，用来解决第二类永动机的失败原因，体会尽管没有违背能量守恒定律但还受到其他因素的制约。学生现状：不知道遵守能量守恒定律的机器为什么还是不可能制成； 知道热传导的方向性但没有联系实际； 第二类永动机（并不违背能量守恒定律）的欺骗性认识不足。培养能力：分析综合能力，理解推理能力思想教育：唯物主义世界观，尊重事实考试说明：新增“热力学第二定律、永动机不可能、绝对零度不可达到”一、引入 有这样有趣的问题：地球上有大量的海水，它的质量约为1.4×1018t,只要这些海水的温度降低0.1OC,就能放出5.8×1023J的热量，这相当于1800万个功率为100万千万的核电站一年的电量，为什么不去研究这种新能源呢？学了本节课你就可以知道答案了。二、热传导的方向性 问:生活经验肯定告诉过我们，两个温度不同的物体互相接触后，会发生什么现象？分析：热量会自发的从高温物体传给低温物体，结果使温度低的物体温度升高，温度高的物体温度降低。问：有没有见过，温度自发的从低温物体传给高温物体？分析：学生可能说“有”，比如说空调、冰箱。解释什么是“自发地”？“自发地”：是没有任何外界的影响或帮助。空调、冰箱需借助外界条件电源，才能够使热量从低温物体传到高温物体，它们是“不自发地”而是“被迫地”——一旦停电，就又是自发地由高温传向低温 类似：水（自发地）往低处流，也可以在有帮助的条件下（被迫地）向高处流。总结：热传导的过程是有方向行，这个过程可以自发的从一个方向自发地进行；但是向相反的方向却不能自发地进行，必须借助外界的帮助。自然界中所涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 三、第二类永动机大家都已经知道，机械能和内能之间可以发生相互转化，比如说一个在水平面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后总要停下来。在这个过程中物体的动能转化为内能，使物体的温度升高。而把内能转化为机械能，在这转化中能量守恒。依据理论，内能同样可以转化机械能（动能），所以我们很愿意将汽车的温度降低来获得汽车的动能（在夏天那可是一举两得的事）。而不引起其他的变化。我们没有见过这类情况，并不是人们没想到，而是有困难。回答这个问题之前我们先介绍热机。 热机，是将热（内）能转化为机械能的装置。如内燃机、蒸汽机、燃气轮机（热电厂）、燃气涡轮（喷气飞机）。以内燃机为例：气体燃烧时产生的热量Q1,推动活塞做功W，然后放出热气，同时把热量Q2散发到大气中。根据能量守恒Q1=W+Q2,如果我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用η表示效率，则有问：我们也都知道W>Q1,也就是η不可能达到100％，那是为什么？分析：热机构造必须有热源和冷凝器，工作时，总要向冷凝器散热，因此要损失热量。 能不能制造出没有冷凝器的热机，只有单一的热源，它从这个单一热源中吸收热量，可以全不用来做功，第二类永动机就是指这类遵守能量守恒定律，从单一热源不断获得能量的机器。第二类永动机的失败，说明机械能和内能之间的转化有着方向性：机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能（肯定引起其他变化）。所以我们在没有冷凝器的条件下，无法通过降低海水温度来获取我们所需要的能量四、热力学第二定律生活中很多物理过程的具有方向性。比如图11－2中气体的扩散，物理学家通过分析自然现象，又总结了第二类永动机不可制成的经验，得出了热力学第二定律。常见两种表述：表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。 表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。两种表述的实质是统一的：自然界中进行的涉及的热现象有关的宏观过程具有方向性，都是不可逆的。 五、能量耗散 问：既然有能量守恒定律，为什么还要节约能源呢？ 分析：其实通过前面的学习，我们都可以找到答案了，因为能量的转化具有方向性，某些自发进行的能量转化后不能再以原值的大小重新转化回来，尽管总量是不变的但可利用的能在减少——能量的耗散（避免说成是损失）。 能量的耗散也从能量转化的角度表明其原因是：从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程是具有方向性的。 六、绝对零度不可达到(8’) 0K＝-273.15℃，T=t+273.15K 值不同但（温差）度的大小相同 阅表：可通过与摄氏度的换算来体会 温度高分子运动快，温度低分子运动慢；到0K（-273.15℃）时分子不再运动，依据辩证唯物主义观点，物质总是运动的，绝对零度只能接近不能到达——热力学第三定律巩固练习课本P87练习六作业：课外活页《热力学第二定律 能源 环境》教学札记：1．2．3．