2021-2022学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册3.3热力学第二定律 表格式教学设计

《热力学第二定律》教学设计
一．教材分析
本节是粤教版选择性必修三第三章的第 3 节，第三章《热力学定律》共三节。第一节阐述了热力学第一定律；第二节研究了能量守恒及其应用；第三节是研究热力学第二定律。这就使学生对热力学定律和能量守恒定律有了一定的认识。
二．学情分析
学生在已经学习热力学第一定律和能量守恒定律，为本节的教学奠定了一定的基础，学生在具备了一定的分析能力，探究能力和逻辑思维能力后，可以更好的理解本节的内容。
三．教学目标：
1.了解能量转移、能量转化的方向性
2.了解热力学第二定律的两种表述，并理解两者表述是等价的
3.通过对热力学第二定律的理解，了解能利用的能源是有限的，重视节约能源。四、教学的重点和难点
重点：1. 理解热力学第二定律克劳修斯的表述
理解热力学第二定律开尔文的表述
理解能量转移和转化是有方向性的
难点：1. 理解克劳修斯的表述和开尔文的表述是等价
理解热力学第二定律克劳修斯的表述
理解热力学第二定律开尔文的表述五、教学过程
教学 内容 教师活动 学生活动 设计意图
观看一下的视频，思考这个视频是否符合生活现象？ 这个是否水凝固成冰的视频。不是，如果是的话，冰面应该是水平的。那么这个视频怎样实现的呢？录制冰熔化成水的视频，然后倒放。 （同个视频倒叙播放） 冰熔化成水的过程是我们常见的现象，这一过程可以用热力学第一定律来解释——通过热传递的方法改变内能。周围的物体包括空气的热量传递给了冰，使冰的温度升高，达到熔点后，最后熔化成水。 如果把这一过程倒转过来，并不违背热力学第一定律——熔化了水把自己的热量传递给周围的物体，自身温度降低，又结成了冰。这一过程不违反热力学第一定律或能量守恒，但是，生活中却从没看到过，因为自然界的过程不是一条规律就能全 1. 激发
兴趣，引
新课 放映一遍 入新课。
引入、 2. 引导
创设 学生回忆
情境 同一个视频 已学的知
倒序播放一 识。
遍
部决定的。
热传递的自发过程是有方向的，热量只会自发地从高温物 体传到低温物体，就像刚才的视频：周围物体是高温的，冰是低温的，所以周围物体把热量传递给了冰；而冰却不会继续向周围释放自己的热量使得自己的温度更低。 生活中有没有热量从低温到高温传递，使得低温的物体温度更低的例子呢？有，冰箱，现在我们观看一下冰箱的工作过程。 冰箱冷藏室的温度比房间里的温度低，如果现在我们把冰箱的设定温度再调低，冰箱就会把冷藏室里的热量继续抽出，释放到房间里，使得冷藏的温度更低。但是，这个过程不是自发的进行的，而是有要付出代价的，这一过程是消耗了电能，电流做了功，不能自发进行。类似的例子还有空调制冷原理。如果从流量图的角度来看，热量要从低温物体通过制冷机传递给高温物体，那么这个过程需要外界做功，冰箱的话就是电流做了功。 如果我们切断冰箱的电源，经过较长时间后，房间和冰箱哪个温度高呢？热量自发从高温物体传递到低温物体，自发从房间向冰箱内部传递，直至两者温度相等，最终是冰箱外的温度都和房间大气的温度一样高。热量从高温物体到低温物体可以自发进行，但是从低温到高温需要付出代价。 1850 年德国物理学家克劳修斯最早提出这一定律，热力学第二定律：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体。或者说，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。 就拿上面冰箱的工作过程来说，如果我们把冰箱工作过程中向外界排放的热量收集起来，再放回冷藏室里，那么，冰箱、房间空气、冷藏室一起都能回到原来的情况吗？不可能，因为多出了冰箱工作过程中电路放出的热量，这部分是较之最初状态多出的部分；总之，我们付出了 “代价”。 学生经历
热传 科学探究
递的 过程，培
方向 养学生物
性 理研究的
规范意
识。
机 械 一个在水平面上运动的物体，因为克服摩擦力做功的原因，最终会 放映一遍、
能 和 停下来，是物体和水平面温度升高，物体的机械能转化成了内能。如果 同一个视频
内能 反过来，让生成的内能再全部转化成机械能，物体再运动起来，这个就 倒序播放一
转过 遍
过程 是第二类永动机的想法。有没有设计这样的永动机呢？有。 1881 年，美国人约翰·嘎姆吉（Johm Gamgee），做成了“零式发动机”，卖给美国的军部，机器里面有液体的氨，如果它与海水相互作用的话，它会吸收海水的热量，吸收海水的热量后，就会变成气体的氨，也就是氨气，氨气膨胀做功，一旦氨气做功又会液化，变成液态的氨。如果吸收的热量全部用于做功的话，那么这个循环就可以持续，于是可以不断地从海水吸热然后做功，这样能源是无限的，但是这个最终没有实现，实际它的循环一次都没有发生过。因为气体氨没有办法通过对外做功的方式让它液化，液体氨的这个温度比海水要低。 英国物理学家开尔文对这个问题进行研究，并给出了如下表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。 第二类永动机不违反热力学第一定律，但是不可能成功。因为机械能和内能之间的转化是有方向性的。机械能可以 100%转化成内能，但内能转化成机械能的过程呢？例如汽车的发动机是一种热机，是一种内燃机，它可以把高温燃气的内能转化成了机械能，但这个过程也是有条件的：汽车的发动机要向外排放比大气温度高的尾气。发动机工作的过程中有两个热源——一个是燃气，一个是周围环境；燃气是高温热源，周围环境是低温热源，发动机的工作过程就是不断把高温热源的内能转化成机械能，同时，向低温热源放出热量。热机从高温热源吸收热量，一部分用来做功，一部分向低温热源放出热量，那么从做功效率的角度来讲，做功的部分小于吸收热量的部分，也就是内能没办法全部转化成机械能，也就是热机效率小于 100%。 如果从单一热源吸热用来做功也可以，如 flash 演示的过程，气缸内的高温气体，对外做了功，减少的热量全部用来做功了，但是其体积却增加了，不是原来的样子了，有了其他的变化。 如果要实现不断地将热能转化成机械能，实现不断循环地转化，那就要两个热源，一个高温、一个低温，比如刚才汽车的发动机，或者下面这种斯特林发动机。
的方
向性
板书拓扑图
Flash” 气
缸二”
板书拓扑图
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机的图片演
示
扩散 自然界中还存在很多存在方向性的现象，例如自由扩散现象。如图所示是两个可以相同的容器，容器 A 中装有气体，容器 B 是真空，打开阀门 K，容器 A 中的气体会自发想容器 B 扩散，最后两个容器都充满压强相等的气体，这个过程被称为自由膨胀。但气体不会自发地从容器 B流回 A，最后使容器 B 恢复成真空。 那么，容器 B 的气体能不能回到容器 A 里，容器 B 变成真空呢？可 放映一遍、
的方 同一个视频
向性 倒序播放一
遍
以，可以借助抽气机的帮助，也就是产生了其他影响。
克劳 热力学第二定律存在很多表述，其中大家自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，物理学家分析了大量的自然现象，从不同的角度考察了不同的宏观过程的方向性，确立了热力学第二定律(second law of thermodynamics)。给出了热力学第二定律的多种表述，其中最常见就是克劳修斯和开尔文的表述。 克劳修斯的表述是从热传递的方向性表述，开尔文的表述是从能量转化的方向性表述，表面上看两者表述不一样。但是进一步推理发现两者是等价的，可以相互推导出来。现在我们用反证法来证明两者是等价的。 假设开尔文的表述不成立的，不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。假设有这样的机器，它可以从低温热源吸热使之完全变成功的话，我们利用这个功驱动一个电冰箱，把低温热源热量放到高温热源去，这样不就实现了热量从低温向高温的自发转移了吗？ 假设克劳修斯的表述不成立的话，假设低温热源的热量可以自发地向高温热源传递的话，那么我们，一部分放到低温热源，一部分做功，那么这个放到低温热源的热量，让它回到高温热源去，这样的话它可以继续循环一次，循环无限多次之后，就可以实现把全部高温热源吸的热全部做功了。 因此两者的表述是等价的，他们的表述都是热力学第二定律。
修斯
和开
尔文
的表
述是
等价 反证法来分
的 析两种表述
等价
热力 热力学第一定律告诉我们能量转化和转移遵循着能量守恒定律，宇宙中的总能量是一定的，而热力学第二定律告诉我们，能量是守恒了，但是转化和转移过程具有方向性，可以被我们利用的能量是有限的，因此我们要节约能源。
学第
二定
律的
意义
热力 例 1：有人设想如图所示的装置(假设活塞与缸壁无摩擦)，并提出 “理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀，从而实现百分之百对外做功”。这引发了同学们的争论:有同学认为是可能实现的，有的同学则认为不可能.你赞同哪一种观点 为什么 从表面上看，因为理想气体在等温膨胀过程中，其温度不变，内能不变，如果不存在摩擦力，则吸收的热量可以全部对外做功，但需要指
学第
二定
律的
应用
出的是，根据气体实验定律，如果气体进行等温膨胀，即气体温度不变， 体积增大，则气体压强应减小，而从图 3-3-2 中可知，该气体压强是恒定的。显然该气体是不可能进行等温膨胀的。事实上，该过程是一个等压膨胀的过程，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增大，气体吸收的热量不可能百分之百对外做功。 例 2：目前，市场上有一种叫“空气能热水器”的产品受到了大家的热捧，空气能热水器通过空气中的热量来揭高水温，其消耗的电能仅仅压缩机用来搬运空气所用的能量，据说其“热效率可达 300%以上"。请你针对这一产品做一项调查，了解其工作原理，并设计实验方案验证其"热效率可达 300%以上”的说法是否属实？
课后 答疑 1. 下列说法正确的是( ) A.第二类永动机违背了能量守恒定律 B.第二类永动机违背了热力学第二定律 C.根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到 100% D.电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力学第二定律 2.((多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是( ) A.电能不可能全部变为内能 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.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 3.在一个密闭隔热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后，房间的温度会如何变化？为什么？ 冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在绝热的密封舱中，冰箱门打开，整个房间内的热量应该是不变的，由于整个过程中还有电在做功，产生焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒可知室内温度升高了，这个也是热量从低温到高温不是自发进行，是要付出的代价。