人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律优质教学设计及反思

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律优质教学设计及反思，共7页。教案主要包含了热力学第二定律，能源是有限的等内容，欢迎下载使用。
备课人
学科
物理
课题
3.4热力学第二定律
教学内容分析
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，教学时要注意讲清这两个定律的区别。对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的扩散过程的方向性入手，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。教材中热力学第二定律的两种表述，分别是热传递的方向性和机械能与内能转化过程的方向性的表述，最终归结为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。教学时着重强调好方向性的问题。
学情分析
学生已有知识基础学生可能已经了解了一些热力学的基本概念，如温度、内能等，对能量的转化和守恒有一定的认识。可能具备一定的抽象思维能力，但对于理解热力学第二定律这样较为困难
教学目标
物理观念：知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。
科学思维：理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。
科学探究：通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。
科学态度与责任：学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。
教学重难点
教学重点：热力学第二定律的两种常见表述。
教学难点：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。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
（一）一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？
（二）想一想：
大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?
（三）观看ppt视频
气体的膨胀有特定的方向性：只能自发地向低压空间膨胀。
扩散有特定的方向性：只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。
总结：凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。例如上面列举的这些例子，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。这就是说，一切与热 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
学生观看课件并思考
观看动画和视频。
理解涉及到热现象的过程都是不可逆的。

引入新课内容，激发学生好奇心
采用动画和视频相结合的方式，让学生更易理解。
新课教学
一、热力学第二定律
（一）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.（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）
克劳修斯表述的说明
（1）这里阐述的是热传递的方向性。
（2）“自发”二字的意义：当两个温度不同的物体接触时，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，热量就能从高温物体传向低温物体。
（3）克劳修斯表述也相当于：不可能造成这样一台制冷机器
（三）克劳修斯表述的理解
强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体.”
如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”。如：夏天空调压缩机工作时，可将室内低温空气的热量传到室外高温的空气中去。
如果设想克劳修斯表述不成立，就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性.
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？
电冰箱工作时热量的确从低温物体——冰箱内的食品，传到了高温物体——冰箱外的空气。但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功。
热力学第二定律的开尔文表述
热力学第二定律的开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化）
热机工作原理
注意：热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器或大气中。
开尔文表述的说明
⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。
机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。
⑵“不可能从单一热库吸收热量”的意义：
不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
⑶克劳修斯表述也可以改为：第二类永动机是不可能制造成功的。
开尔文表述的理解
开尔文表述揭示机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。
“不可能从单一热库吸收热量”指：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等。
自然界的一切自发过程都不可逆。
热机的工作过程
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？
热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W< Q
热力学第二定律的两种表述之间的关系
①两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热力学第二定律的意义
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
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。
（九）热力学第二定律得其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
（十）热力学第二定律的适用范围
适用于宏观过程对微观过程不适用，如布朗运动。
孤立系统有限范围,对整个宇宙不适用。
（十）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.
（十一）热力学第二定律与第一定律的比较
小试牛刀
【例题】1．(多选)关于热力学第二定律，下列说法正确的是( AB )
A．一定质量的理想气体在等温膨胀过程中吸收的热量等于对外做的功，并不违反热力学第二定律
B．空调既能制热也能制冷，说明热量能够从低温物体传到高温物体
C．热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
D．理想热机的效率可以达到100%
2、在热学中,下列说法正确的是( A )
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
了解热力学第二定律的内容。
结合克劳修斯表述完成思考题。
观察热机的工作过程，总结热机的效率问题。
利用所学知识解决生活中的实际问题。
二、能源是有限的
（一）能源是有限的
1．能量耗散：在各种各样的活动中，其他形式的能最终都转化成内能，流散到周围环境中再也不能自动聚集起来驱动机器做功的现象。
2．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。
3．能源：是指具有高品质的容易利用的储能物质。
4．能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
5.拓展学习：熵与熵增加原理
小试牛刀
【例题】1、热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是( D )
A.能量耗散不符合热力学第一定律
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的与热现象有关的宏观过程具有方向性
2、下列现象属于能量耗散的是( D )
A．利用水流能发电转化为电能
B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能
C．电池的化学能转化为电能
D．火炉把房子烤暖
完成课后练习
课堂总结
热力学第二定律
1、热传递的方向
2、热力学第二定律
3、热力学第二定律克劳修斯表述
4、热力学第二定律开尔文表述
5、能源是有限的
学生总结本节课知识点
帮助学生形成知识框架，便于理解记忆。
板书设计
一、热力学第二定律
1.反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2.克劳修斯表述：热量不能自发从低温物体传到高温物体。
①物体间传热过程的方向性
②自发性
3.开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗。
②机械能与内能转化的方向性
二、能源是有限的
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中基础知识进行检测，二是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
热力学第二定律的两种表述
表述一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(按照热传递的方向性来表述)
表述二：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(按照机械能与内能转化的方向性来表述)
这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以它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。
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”