3.4 热力学第二定律（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律
第4节 热力学第二定律
教学设计
问题与目标
1.了解热传递过程的方向性。
2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。
3.知道什么是第二类永动机，知道为什么第二类永动机不可能制成。
4.了解什么是能量耗散。
重点与难点
重点
热力学第二定律的两种常见表述。
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。
教学准备
教师要求
多媒体课件、电冰箱模型、一盆凉水、一个酒精灯、一个铁块、铁钳等。
学生要求
复习能量守恒定律和热传递的方向性。
教学过程
一、导入新课
改革开放以来，我国的发展日新月异，但是我们经常听到或看到有关“能源危机”的报道和分析。而且，当今世界的战争多数是由能源引起的，很多国家不惜以战争的形式抢夺能源。什么是“能源危机” 这个问题又该如何解决呢
我们在初中已经学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而计算热量的公式为Q=cmΔt。这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水，其总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出多少焦耳的热量呢 已知海水的比热容为c=4.2×103J/(kg ℃)。下面请大家计算一下。
学生计算：Q=4.2×103×1.4×1018×103×0.1J=5.88×1023J。
这些热量超过了1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电总量。为什么人们不去研究这种“新能源”呢 原来，这样做是不可能的。这涉及物理学的一个基本定律，也就是本节要讨论的热力学第二定律。
二、新课教学
1.热力学第二定律
(1)热传递的方向性
演示实验：点燃酒精灯，用铁钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，向学生提问：如果现在用手摸铁块会出现什么现象 接着把这个铁块放入冷水中，过一段时间后，再从水中拿出铁块，继续向学生提问：现在你们敢用手摸它吗 通过这个实验说明了什么问题
学生思考，教师给予启发。
生：热量可以从温度高的物体自发地传给温度低的物体。
再让学生列举一些这样的例子。例如，雪花落在手上就消融，挨着火炉就感觉温暖等。
师：一杯烧开的水，会向周围的空气散发热量，一段时间后，水会和周围空气的温度一样高。如果在一杯开水中放入冰块，冰块就会从水中吸热并熔化，开水也会变凉，但是过一段时间后水温还是会变得和室温一样。
利用教材中的“思考与讨论”，开展小组讨论并进行对话交流。
师：有没有可能发生这样的现象——热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高 这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。
学生思考讨论后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么制冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气呢
教师展示电冰箱模型，并向学生简要讲解。
师：这是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。
一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其内部的温度逐渐升高。即电冰箱能使热量从低温物体流向高温物体，但不是自发的。
总结：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化。即热传递具有方向性。
热力学第二定律的一种表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。
这种表述阐述的是热传递的方向性。在这个表述中，“自发”二字指的是，当两个物体接触时，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，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
教师指出热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。
(2)热力学第二定律的另一种表述
在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，它能从高温热库如海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，而不向低温热库排出热量。这种能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机称为第二类永动机。
前面我们学习了第一类永动机及其不能制成的原因(违背了能量守恒)，那么第二类永动机的设想能否实现呢
学生分组合作学习，思考讨论下列问题：
①热机是一种把什么能转化成什么能的装置
②热机的效率能否达到100%
学生分小组讨论交流，然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨。
①热机是一种把内能转化成机械能的装置。
②热机的效率不能达到100%。
原因分析：以内燃机为例，汽缸中的气体得到的燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中。由能量守恒定律可知Q1=W+Q2，我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，则
实际上，热机不能把得到的全部内能都转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有Q1>W。
因此，热机的效率不可能达到100%。实际上，汽车上的汽油机的效率只有20%~30%，发电时使用的蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%。即使是理想热机，没有摩擦或漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化成机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。
师生总结热力学第二定律的另一种表述：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。
这就是热力学第二定律的开尔文表述。
教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，并举出“绝热膨胀”的例子加以说明。
如图所示，A、B是两个完全相同的绝热容器，容器A中充满一定温度的理想气体，容器B是真空的，打开由绝热材料制成的阀门，容器A中的气体会自发地向容器B中膨胀，最后两容器都充满了气体。由热力学第一定律可知，气体的温度变低了。想一想：容器A中剩余的气体还能否继续自发地流入容器B中，使容器B中的气体与开始时容器A中气体的温度和状态完全相同，而容器A成为真空呢？
学生分小组讨论、总结，得出结论：要想使容器A中剩余的气体继续自发地流人容器B中而自己变成真空，必须采用其他办法，即产生了其他影响。
第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机做了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。即第二类永动机永远不可能制成。
从热力学第二定律的开尔文表述可知，机械能和内能的转化过程具有方向性——机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功转化成机械能。
2.能源是有限的
(1)能量在总量上虽然守恒，但能量的转移和转化具有方向性。如燃烧过程是化学能转化为内能的过程，但再把内能转化为化学能，就困难得多；电灯能很容易地把电能转化为光能，但再把这些光能转化为电能就困难得多。
(2)能量转化过程产生的内能，流散到周围环境中，使得周围环境的温度升高，但分散在环境中的内能，不管数量多么巨大，却再也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)周围环境中的内能很难再利用，而机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。所谓能源，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。
(4)能源危机与节能环保
①能源危机：人类生产、生活中的各项活动，都在消耗能源，人类的繁衍生息，使人类对能源的消耗没有止境。
由于“能量耗散”，在使用能源的过程中，虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，即能源会逐步减少。而地球上的能源是有限的，比如石油、煤炭、天然气等常规能源的储量都是有限的。人类无节制的奢华生活更加快了消耗能源的速度，总有一天这些能源将告罄，这就是能源危机。人们在使用石油、煤炭、天然气等常规能源时，一般是通过燃烧，将化学能转化成内能，再通过工作物质将内能转化成机械能、电能等，但目前的转化设备效率较低，能源浪费的现象特别严重。同时，燃烧产生的二氧化碳气体又会引发地球的温室效应，导致环境恶化，自然灾害频发。②节能环保：为了保护地球，为了人类的可持续发展，应提倡节能环保。一方面要有计划、有节制地使用常规能源，提倡低碳生活；另一方面要积极地开发、使用清洁能源，如核能、太阳能、生物能、风能、潮汐能等。
3.关于熵的理解
学生阅读教材第62~63页相关内容，理解熵的意义，总结熵的特点。
(1)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。
(2)熵是表示一个系统无序程度的物理量，从微观角度来说，熵是系统内分子热运动无序性的量度。
(3)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。
(4)从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律：
一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。
三、课堂小结
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”
四、作业设计
完成课本第63页练习题
课堂练习
1.如图所示，用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在一杯热水中，接触点2插在一杯冷水中，此时灵敏电流计的指针会发生偏转，这就是温差发电现象，根据这一现象，下列说法中正确的是( )
A.这一过程违反了热力学第二定律 B.这一过程违反了热力学第一定律
C.热水和冷水的温度将发生变化 D.这一过程违反了能量守恒定律
2.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
3.下列说法正确的是( )
A.物体放出热量,温度一定降低 B.物体内能增加,温度一定升高
C.热量能自发地从低温物体传给高温物体 D.热量能自发地从高温物体传给低温物体
4.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K. P中充满气体,Q内为真空,整个系统与外界没有热交换,打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )
A.气体体积膨胀,内能增加
B.气体分子势能减少,内能增加
C.气体分子势能增加,压强可能不变
D.Q中气体不可能自发的全部退回到P中
答案以及解析
1.答案：C
解析：热力学第二定律由实际热现象总结而来，任何宏观的实际热现象都符合热力学第二定律，故A错误；吸、放热和做功均会改变内能，该过程没有违反热力学第一定律，故B错误；在实验过程中，热水内能减少，一部分转移到低温物体，一部分转化为电能，则热水一定会降温，冷水一定会升温，故C正确；在实验过程中，热水的内能部分转化成电能，部分传递给冷水，符合能量守恒定律，故D错误.
2.答案：D
解析：能量转移转换是有方向性的，机械能全部转化为内能是可能的，即A错；第二类永动机并不违反能量守恒定律，其实质是能量转移转化是有方向的，故B错；据热力学第二定律，欲使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化是不可能的，但借助其他，则完全可以（如冰
箱），故C错；同理功、热转换有方向性，但借助其他物理过程，也能从单一热源吸收热量，使之全部变成功.D项正确.
3.答案：D
解析：物体放出热量，有可能同时外界对物体做功，温度不一定会降低；物体内能增加，可能是因为分子势能增加，分子的平均动能可能不变，物体温度可能不变如晶体熔化。热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不能自发地从低温物体传给高温物体。
4.答案：D
解析：因为Q内为真空，所以外界对气体不做功，且系统与外界没有热交换，由热力学第一定律知，气体内能不变，故A、 B错误。气体体积增大，压强减小，故C错误. 气体向真空膨胀具有方向性，由热力学第二定律知D正确。
板书设计
第4节 热力学第二定律
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