3.4热力学第二定律 教案

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。W< Q
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W< Q。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（要是全部用来做功，会有影响）。例如，两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们在这个过程中消耗的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。
思考与讨论
在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象∶静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来
上述现象是不可能发生的。问题的实质仍然是∶机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。
问题：热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
①可以证明，热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。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这两种描述分别是前面说的物体间的传热，以及有摩擦的机械运动，它们都有方向，同样的物体的扩散，气体的膨胀的不可逆都可以说是热力学第二定律的表述。
总之，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。
课堂练习
例1：下列说法正确的是（ ）
热量不能由低温物体传递到高温物体
外界对物体做功，物体的内能必定增加
热机的效率可以达到100%
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
: 解析：根据然力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但在外界帮助下，热量可以从低温物体传到高温物体。例如电冰箱制冷时，压缩积工作，消耗了电能，同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体，所以选项 A错误。外界对物体做功的同时，物体可能放热，物体的内能不一定增加，所以选项B错误。热机在工作过程中，需要从高温热库或者说高温热源吸收热量，然后这些热量只有一部分用于做功，转化为机械能。另一部分热量则要自发的排放给一个低温热库。所以热机的效率不可以达到100%。而D选项中的表述就是热力学第二定律的一种表速形式，所以选项 D正确.。
例2：电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了（ ）
热量能自发地从低温物体传给高温物体
在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
热量的传递过程不具有方向性
在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
解析：一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体，如果在外界帮助下，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体——冷冻食品传向高温物体——外界的空气。所以在回答热力学过程的方向性问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内部热量传递的过程是有外界参与的，故选项 B、D正确。
例3：如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体 外。下列说法正确的是（ ）
热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律
电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
解析：热力学第一定律适用于所有的热学过程，选项 C正确。选项 D错误。热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，选项A错借误，选项B正确。
例4：关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是（ ）
A. 热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的
B. 内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
C. 两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别
D. 能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
解析：热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾;对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的，故选项B正确。
（二）能源是有限的
自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
例如：灯泡发光能量来之电池，变成光能和内能，最后消散在空气中。
各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。
能量的耗散：能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。
机械能、光能、化学能、电能等，我们很容易利用称为高品质能量。内能是低品质能量，利用比较困难，且能量都是自发的向低品质方向进行的。所以
能源：其实是指具有高品质的容易利用的储能物质
例如石油、天然气、煤等。但是它们的存量不多，所以要节约资源。
拓展学习：熵与熵增加原理
播放视频。
〖板书设计〗
3.4热力学第二定律
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
〖教学反思〗
热力学第二定律的描述的范围是十分广的，且没有公式。对于像气体膨胀、扩散，甚至生命现象等不可逆的过程都可以说是热力学第二定律的一种表述。这样子学生就比较困惑了。所以在授课的时候，要着重强调方向性，且是宏观的自然过程的方向性。讲清楚了这点，那么有助于学生形成能量观，用能量的观点来看问题。 (
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