人教版 (新课标)选修34 热力学第二定律教案

10.4、热 力 学 第 二 定 律

教学目标

①、了解热力学第二定律的发展简史，

②、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。

③、了解热传导的方向性，

④、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质，⑤、了解什么是能量耗散

教学重点

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。

教学难点

热力学第二定律中所描述的 "不发生其他变化"

教学方法

多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合

教学器材

多媒体演示系统、自制电脑教学软件

教学过程

引入新课

复习提问

①热力学第一定律的内容是什么？

②第一类永动机为什么没有制成？

③能量守恒定律是怎样表述的？

引入新课

在能量守恒定律中，存在着能量的 "转移"和 "转化"，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在着"转移"以及内能和机械能之间也存在着"转化"的过程，引入课题：热力学第二定律。

新课教学

一、内能的转移

内能转移实质就是热传递。

举例：1 冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。

（热量可以从高温物体传递给低温物体）

      2 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。

进一步思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。

如果不妥当应该怎样说。从而得出所谓的热量从高温物体向低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需要其他的物理过程参与。

（以模拟动画说明内能转移过程的方向性）

得出热力学第二定律克劳修斯表述：

不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。（内能转移过程的方向性）

说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与

二、内能和机械能之间的转化

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）

1824年，卡诺在《论火的动力》中指出 "凡是有温度差的地方就能够发生动力"

1834年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为"卡诺循环"

热机从高温热源吸收热量Q，其中一部分对外做功W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定律

 Q1 = Q2 + W

η=W/ Q1 =  (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1

可以知道Q2 越少，η越高

于是人们就考虑能否让Q2不存在，这样就可以产生一个η=100％的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机械并不违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。

第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。

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。

这个结论是开尔文首先提出来的。

开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他变化。即:第二类永动机是不可能制成的。

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、能量耗散

引导学生阅读46页能量耗散的内容并归纳出自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。

举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能

都是无法将散失的内能重新再利用

能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。

扩展：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。

说明：不仅仅在物理上存在这种"方向性"，在其他领域也都存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。