人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律4 热力学第二定律教案及反思

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律4 热力学第二定律教案及反思，共8页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练等内容，欢迎下载使用。

物理观念∶通过自然界中宏观过程的方向性，建立起热力学第二定律的概念。能用热力学第二定律正确描述和解释宏观方向性的自然现象。
科学思维∶对常见的宏观自然过程的方向性进行简单分析；知道能量守恒与节约能源的本质。
科学探究：理解冰箱的工作原理以及热机的效率为什么无法达到100%。
科学态度与责任∶了解能源在社会发展中的地位；知道人类必须尊重自然，遵循自然规律；养成保护环境、节约资源、促进可持续发展的良好习惯。
教学重难点
教学重点：热力学第二定律两种常见的表述。
教学难点：热力学第二定律的开尔文表述。
教学过程
【新课引入】
将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？
铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。
会不会出现铁块温度更高，水的温度更低的情况？
不可能。这就是我们今天要学习的热力学第二定律的内容。
【新知探究】
一、热力学第二定律
1.热现象过程的方向性
能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。
满足能量守恒定律的过程是否都能实现呢?
覆水难收，说的是泼出去的水不可能再收回来了。其实，一切与热现象有关的宏观自然过程都是有方向性、不可逆性的。
(1)热传递的方向性：
热量自发的由高温物体传向低温物体。但是，热量不可能自发的由低温物体传向高温物体，使温度高的更高、低的更低。
(2)扩散的方向性：
一滴红色颜料滴进一杯清水中，整杯水将自发的逐渐变红。但是，扩散在水中的颜料不能自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水。
(3)摩擦生热的方向性：
在水平地面上运动的物体，由于摩擦会停止运动，动能转化为内能，使物体和地面的温度升高。但是不可能使一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，把内能自发地转化为动能，使物体运动起来。
结论：上面的现象都具有方向性，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发进行。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。在物理学中，反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二定律。
2.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。
说明：
①方向性：高温→低温
②自发性：不需要第三者介入、不对第三者产生影响
③热量可以从低温物体传到高温物体上，但不是自发的。
思考与讨论:
电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢?
分析：
低温物体（冰箱内的食品），热量传到了高温物体（冰箱外的空气）。但是这个过程并不是自发进行的，而是依赖外界做功，消耗了电能
如果不供电，冰箱的压缩机会停止工作，自发的过程则是热量从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。这个过程才是自发进行的
【例1】关于热传导的方向性，下列说法正确的是（ ）
A.热量只能由高温物体传递给低温物体
B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
C.在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体
D.热量一定不可能从低温物体传给高温物体
答案：C
3.热机
第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；
第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
燃料的化学能→工作物质的内能→机械能
如：汽车从汽缸吸收热量，燃料在燃烧就是高温热库，废气排放到外界环境中，大气就是它的低温热库。从高温→低温，必然有部分热量被低温热库吸收，而不是全部用来对外做功。所以热机做的功一定小于它从高温热库吸收的热量，W< Q。说明热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。
C
4．热力学第二定律的开尔文表述：（内能和机械能之间转化的方向性）
不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响。
说明：
(1)不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
(2)可从单一热库吸收热量，使之完全变成功，但会产生其他影响。
(3)机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
5．与热力学第一定律的关系
热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。
5.两种表述是等价的
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的，可用反证法证明。
如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立。
违背开尔文表述也一定违背克劳修斯表述。
违背开尔文表述也一定违背克劳修斯表述。
7.第二类永动机
(1)定义：
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。
(2)第二类永动机不可能制成：违反热力学第二定律
不消耗任何能量，可以不断地做功（或给予很少的能量启动后，能够永远运动）
将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化
违背能量守恒定律
违背热力学第二定律
二、能源是有限的
1．能源
具有高品质的容易利用的储能物质．
2．能量耗散
使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．
3．能源在使用过程中品质下降
虽然能的总量保持不变，但能量的品质下降了，能源减少了．
三、熵与熵增加原理
自然界的很多过程是不可逆的.
例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。
1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。
在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。
所有宏观自发过程都具有单向性
【例1】下列说法正确的是（ ）
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
答案 D
【例2】根据热力学第二定律，下列判断正确的（ ）
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
答案 ACD
【例3】下列说法中可行的是（ ）
①将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用
②制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用
③建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转
④制造一种效率为100％的热机
A．①可行 B．①④可行
C．②④可行 D．①②③④都不可行
答案 D
【例4】根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（ ）
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化
B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它的变化的热机是可实现的
C．致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化
D．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
答案AD
【课堂小结】
【随堂演练】
1.下列说法正确的是（ ）
A．在自然条件下，热传递的过程是不可逆的
B．热量不可能由高温物体传递给低温物体
C．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式能量转化都不具有方向性
答案AC
2.（多选）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都变为内能
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.热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
答案BCD
3.关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是（ ）
A.第二类永动机违反能量守恒定律
B.如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C.外界对物体做功，则物体的内能一定增加
D.做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化和守恒的观点来看这两种改变方式是有区别的
答案D
4．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（ ）
A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化
B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
C．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小
D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
答案B