人教版 (新课标)选修34 热力学第二定律教案

热力学第二定律

（选修3-3 第十章 第4节）

【教材分析】

本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律对自然过程没有任何限制，只指 出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。

对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，研究与分子热运动有关的过程的方向性问题，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。

教材介绍了热力学第二定律的两种表述：一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。

第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。

【设计思想】

1. 从实际问题导入，从简单的实验开始，尽可能引导学生联系自己熟悉的，身边的生活现象的实例，在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际，体现《标准》倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。
2. 积极创设情景，开展师生、生生间的对话交流，开展小组合作讨论学习，使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位，让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益，体现以学生为中心的原则。

3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证，是在大量实验事实的基础上总结出来，内容的表述比较抽象和难以理解，教师要引导学生对关键词的作深刻地理解，要引导学生多运用实例来辅助理解。

 4.夯实知识基础，灵活运用技能是三维教学目标中第一要素，本节课除了使用教材中“问题与练习”外，还设计了四道练习题，在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用，帮助学生更好理解定律。《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。

【教学目标】

一、    知识与技能

1.了解热传递过程的方向性。

2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。

3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。

二、过程与方法

1．热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显著不同，它是用否定语句表述的。

2．热力学第二定律的表述不只一种，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，学习本节时注意这一方法。

三、    情感、态度与价值观

1．  通过学习热力学第二定律，可以使学生明白热机的效率不会达到100%，我们只能想办法尽量提高热机的效率，但不能渴求达到100%。

2．  自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的，但不违背能量守恒定律的宏观过程并都能发生。

【重点、难点分析】：

重点：热力学第二定律两种常见的表述。

 难点：1.热力学第二定律的开尔文表述。

2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

【课时安排】：  1课时        

【课前准备】：

教师：多媒体课件，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳。

学生：课前预习课文，在家观察自家的电冰箱。

【教学设计】：

 引入新课：

【问题】我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t , 如果这些海水的温度降低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。

学生计算：Q = 4.2×103×1.4×1018×103×0.1 J = 5.8×1023J

这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢？原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。

【设计意图】：从实际问题入手，唤起学生对学习的兴趣。从学生已有的热学知识出发引入新的知识，使过渡自然，减少学生对新知识的唐突性。

【板书】   第四节  热力学第二定律

【板书】一、热传递的方向性

教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在如果用手摸会出现什么现象？下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗？通过这个实验说明什么问题？

学生思考，教师给予启发

学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体

再让学生列举一些这样的例子，例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等。

利用课本中“思考与讨论”开展小组讨论并进行对话交流。

教师反问学生：有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？

事前我们让大家观察自家的电冰箱，请同学做简要的回答，教师进行点拨。然后，展示电冰箱模型给学生简要讲解(多媒体课件)。

这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。

【学生总结】热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。

【板书】结论:热力学第二定律的一种表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。

老师讲解对定律的理解:这里阐述的是热传递的方向性.在这个表述中,“自发”二字指的是:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。

教师指出：热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。

【设计意图】：

1.    联系学生熟悉的，身边的生活现象，使知识的学习贴近学生的生活，使学生感受物理知识就在身边，存在于生活，强化学生的实践意识，使情感成为学习动力。
2.    通过师生的对话交流，在互动中实现思维的碰撞，突出学生的学习过程，体现以学生为中心的原则，从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益。
3.    热力学第二定律的克劳修斯表述中的“自发”是定律表述的关键词，教师要引导学生作深刻理解。

【板书】二、热力学第二定律的另一种表述(第二类永动机)

前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？（违背了能量守恒），什么是第二类永动机呢？

分组合作学习，思考讨论下列问题：

1.热机是一种把什么能转化成什么能的装置？

    2.热机的效率能否达到100%？

    3.第二类永动机模型

    4.机械能和内能转化的方向性

    然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨

1.热机是一种把内能转化成机械能的装置

2.热机的效率不能达到100%

    原因分析：

    以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，

    由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2

    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

η=W / Q1

    实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1>W

    因此，热机的效率不可能达到100%，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%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。

师生总结:热力学第二定律的另一种表述: 【板书】不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述 (也称第二类永动机)。

教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。

第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。

为什么第二类永动机不可能制成呢？

因为机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。

再举实例，说明有些物理过程具有方向性。

 〈学生思考回答，教师引导点拨〉

1.气体的扩散现象。

2.书上连通器的小实验（气体向其中膨胀）。

【板书】热力学第二定律的两种表述

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

（按照热传递的方向性来表述的）

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。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。（机械能与内能转化具有方向性）

这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。

热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）。

因此,对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。如图中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为:气体向真空的自由彭胀是不可逆的。

【注意】 ：不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

【本节小结】:回过头分析引入的例子,学生应用热力学第二定律分析,老师点拨总结。进一步说明第二类永动机不能制成的,违背热力学第二定律。

【设计意图】：

1.热力学第二定律的开尔文表述比较抽象和难以理解，需要学生通过合作学习，在讨论和交流中认识规律，再通过教师的点拨指导才能更好的理解和掌握规律。

2. 热力学第二定律是在大量实验事实的基础上总结出来的，教学过程要引导学生多运用实例来辅助理解。

3. 分析引入的例子，学生应用热力学第二定律分析，师生共同小结本节内容，首尾呼应，学以致用。

三、【随堂练习】
1、热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及        现象的宏观过程都具有        性，例如机械能可以         转化为内能，但内能        全部转化成机械能，而不引起其他变化。

2.热传导的规律为：   （       ）

A、热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体

B、热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体

  C、热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体

  D、热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体

3.根据热力学第二定律，下列判断正确的是（      ）

    A．电流的能不可能全部变为内能

    B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能

    C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能

    D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体．

4.第二类永动机不可以制成，是因为（      ）

    A．违背了能量的守恒定律

    B．热量总是从高温物体传递到低温物体

    C．机械能不能全部转变为内能

    D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

【课后思考题】：

一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：输入功率1KW，制冷能力1.2×104KJ/h，制热能力1.3×104 KJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢？

四、作业：p73问题与练习:2、3

【教学感悟】

1.从有趣的问题引入，学生利用初中的热学知识能够计算出地球上海水降低0.1 oC时释放出巨大的能量，是否是新能源？在能源紧缺的今天，无疑是一个能引发学生积极思考的问题，学生对此特别感兴趣，学习积极性也有此受到激发，求知欲望强烈，这是一个成功的引入。

2.通过实例的讨论和分析，学生整体对热力学第二定律的克劳修斯表达能够较好的理解，教学过程的关键点是由实例引导学生对两个关键词“自发”和“不可逆”的理解。

3.对于本节的教学难点―― 热力学第二定律的开尔文表述，学生对此理解有一定的难度，引导学生对教材中的热机工作过程的分析，用好“热机能流图”和“热机工作时能流分配图”，明确热机效率不可能100％，才能帮助学生理解机械能和内能转化的方向性，到此学生有一个误区，以为内能一定不可能100％的转化为机械能，教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。

4.热力学第二定律的两种表述，一种是按照热传导过程的方向性表述的另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述的。这两种表述是等价的，它们都表明，自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。

5．热力学第二定律跟其它的物理规律不同的是：用一种现象作为定律的内容，对任何一类宏观自然过程方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，必须向学生交代清楚的这一特点。