《热力学第二定律》 参考教案.docxVIP

学而优·教有方

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3.4热力学第二定律

〖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，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。

〖教学目标与核心素养〗

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。

〖教学准备〗

多媒体课件等。

〖教学过程〗

一、新课引入

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?

动态图播放扩散现象的过程。

二、新课教学

（一）热力学第二定律

覆水难收，说的是泼出去的水不可能再收回来了。水往低处流，水也不可能向高处流。

问题：大家是否发现一些事件的发展过程具有方向性、不可逆性?

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。

思考：满足能量守恒定律的过程是否都能实现呢?

例如：

物体间的传热：热由高温物体传向低温物体

气体的膨胀：体积由小到大

扩散现象：密度由密到疏

有摩擦的机械运动：由功到热等

这些现象都具有方向性，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，我们也从未见到它们会自发地进行。这就是

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，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。

1.热力学第二定律克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

①物体间传热过程的方向性

两个温度不同的物体接触时，热量会自发从高温物体转移到低温物体。但反过来，你让热量自发，从低温物体转移到高温物体，那是不可能的，这就是方向性。

②自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。

当两个温度不同的物体接触时，热量就能自发从一个物体传向另一个物体。这个过程中，不需要外界的帮助，也不改变外界环境。但如果有外界做功的帮助，或者外界环境发生变化，那这样的转移是可以反过来的。比如水往低处流，但也是可以有条件的向高处流的。

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。

总结：

热力学第二定律的克劳修斯表述告诉我们，热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，只有通过外界做功或者改变外界环境，才有可能实现相反的过程。

热机的工作原理

燃料的化学能→工作物质的内能→机械能。

但是燃料燃烧产生的热量可能会因为漏气而损失一些，还有机体温度升高，会因为散热损失一些。此外，转化为机械能时，克服机械摩擦还会造成损失。所以最后输出的机械功W肯定小于燃料产生的热量Q。WQ

思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？

不行。

比如汽车从汽缸吸收热量，那燃料在燃烧就是高温热库，车辆排放到外界环境中，那大气就是他的低温热库。一个高温，一个低温。那么热量必然自发的有高温传到低温，这是不可阻挡的，所以在工作过程中就必然排除部分热量到低温热库，而不是全部用来做功。所以热机做的功一定小于它从高温热库吸收的热量WQ。这也说明热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。

热力学第二定律开尔文表述：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%

也就是无论任何装置，只要是吸收内能，然后转化为机械能，或者其他可以做功的能量，都一定需要两个热库，而且效率无法达到100%。

②机械能与内能