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人教版高中物理选择性必修3第3章第4节热力学第二定律教学设计
课题
热力学第二定律
单元
3
学科
物理
年级
高二
学习目标
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。
重点
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。
难点
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。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
问题：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。思考：将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高，水的温度更低？
观察现象，描述结果。
用小实验引发学生思考。引出本节课的课题。
讲授新课
一、热传递的方向动画演示热传递的方向热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低.。热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行.要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化.气体扩散具有方向性思考：会不会有这样的现象：均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明
？（视频演示气体的扩散的方向性，辅以动画演示）无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如物体间的热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动....都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如，热由高温物体传向低温物体，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。这就是说，-切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。二、热力学第二定律
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（second
law
of
thermodynamics).三、克劳修斯表述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.思考：电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？电冰箱消耗电能，对制冷系统做功，致冷系统不断地把箱内热量传给外界的空气，从而保持冰箱内部的温度比外部的低。说明：(1)克劳修斯表述中强调了“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.”(2)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”.(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想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.课堂练习1、下列说法中，正确的是
( )A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性B．热量不可能由低温物体传给高温物体C．气体的扩散过程具有方向性D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性解析：热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在产生其他影响的情况下,热量可以从低温物体传给高温物体.例如冰箱。答案：C四、开尔文表述热机的效率问题热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响。热力学第二定律的开尔文表述又可以表述为：第二类永动机是不可能制成的.说明：1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义：(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.(2)“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.思考讨论：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、地面和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？机械能可以全部转化为内能，但这个过程是不可逆的.2．热力学第二定律两种表述的比较开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的,可用反证法证明,违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述
：如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立.违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述
:如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立.3．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.4．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.课堂练习2、根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有
( )A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能解析：当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调；机械能可以全部转化为热能.外界条件发生变化时，热能也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功.答案：BD五、能源是有限的能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在取暖照明、耕田犁地、车钻磨锻、开车驾.....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。每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。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。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。课堂练习3、根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（
）A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的C．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
观看flash动画，总结现象。观看动画和视频。理解涉及到热现象的过程都是不可逆的。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。总结电冰箱的工作原理。完成课堂练习。观察热机的工作过程，总结热机的效率问题。完成思考讨论。将热力学的两种表述进行比较，理解其中的练习和差别。完成课堂练习。完成课堂练习。
用动画演示热传递的方向性，让现象更加直观。采用动画和视频相结合的方式，让学生更易理解。利用所学知识解决生活中的实际问题。对克劳修斯表述作出说明，便于学生更好的理解热力学第二定律。从实际出发，带着实际生活中的问题来学习新知识。同学对比，让学生理解其中的区别和联系。
拓展提高
1、根据热力学第二定律，下列判断正确的是（
）A.
电流的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度物体．解析：根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正确．答案：BCD2、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解析：机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，第二类永动机没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，在产生其他影响的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，在产生其他影响的情况下，可以从单一热源吸收热量全部变成功。答案：D3、根据热力学第二定律，下列判断正确的(
)A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B．电流的能不可能全部变成内能C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能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解析：由电流热效应的焦耳定律可知，电能可全部转化为内能，热量从低温物体传给高温物体，必须有外界做功，结果会带来其他影响。答案：ACD
完成拓展提高。
课堂小结
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
板书
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
热力学第二定律
热力学第二定律
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热力学第二定律
人教版高中物理
必修3
新知导入
铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。
问题：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？
新知导入
思考：将烧红的铁块投入水中，结果会不会铁块温度更高，水的温度更低？
新知讲解
一、热传递的方向
热量会自发地从高温物体传给低温物体,从而使低温物体升温，高温物体温度降低.
新知讲解
热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行.
要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化.
新知讲解
气体扩散具有方向性
思考：会不会有这样的现象：均匀混合的空气与溴气过一段时间会自发地变的界线分明
？
新知讲解
动画：气体向真空扩散
新知讲解
无数事实告诉我们，凡是实际的过程，只要涉及热现象，如物体间的热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动....都有特定的方向性。这些过程可以自发地朝某个方向进行，例如，热由高温物体传向低温物体，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。这就是说，-切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
新知讲解
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（second
law
of
thermodynamics).
二、热力学第二定律
新知讲解
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.
三、克劳修斯表述
新知讲解
思考：电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？
新知讲解
电冰箱消耗电能，对制冷系统做功，致冷系统不断地把箱内热量传给外界的空气，从而保持冰箱内部的温度比外部的低.
电冰箱原理视频
新知讲解
贮藏的食品
大气
电冰箱制冷系统
新知讲解
(1)克劳修斯表述中强调了“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.”
(2)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”.
(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想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.
说明：
课堂练习
1、下列说法中，正确的是
( )
A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
B．热量不可能由低温物体传给高温物体
C．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性
热力学第二定律反映的所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性
在产生其他影响的情况下,热量可以从低温物体传给高温物体.例如冰箱
C
新知讲解
四、开尔文表述
新知讲解
热机效率η=W/Q1<100%
Q1=W+Q2
热源
冷凝器
热机
做功W
新知讲解
不可能从单一热库吸收，使之完全变成功，而不产生其他影响.
热力学第二定律的开尔文表述：
新知讲解
热源
热机
冷凝器
不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化.
热力学第二定律的开尔文表述又可以表述为：第二类永动机是不可能制成的.
第二类永动机
新知讲解
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义：
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.
(2)“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.
说明
新知讲解
思考讨论：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、地面和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？
机械能可以全部转化为内能，但这个过程是不可逆的
新知讲解
开尔文表述实质说明功变热过程的不可逆性，克劳修斯表述则说明热传导过程的不可逆性，两种表述是等价的,可用反证法证明,
违背开尔文表述一定违背克劳修斯表述
Q1──热机从T1吸热
A
──热机输出功
Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热
如果开尔文表述不成立，可制成一个单热源热机，将它同另一个制冷机组成复合机，如图所示，其总效果相当于一个无功致冷机，于是克劳修斯表述也就不成立.
2．热力学第二定律两种表述的比较
新知讲解
违背克劳修斯表述一定违背开尔文表述
T2──低温热源
Q2──热量通过假想装置自动地从T2传向T1
Q1──卡诺热机从T1吸热
A
──卡诺热机对外作功
如果克劳修斯表述不成立，则可制成一个无功致冷机，将它同另一个热机组成复合机，如图所示，就可使复合机成为一单热源热机，即开尔文表述也不成立.
新知讲解
3．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.
4．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.
课堂练习
2、根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有
( )
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能
当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，如冰箱和空调；机械能可以全部转化为热能.外界条件发生变化时，热能也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功.
BD
新知讲解
五、能源是有限的
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在取暖照明、耕田犁地、车钻磨锻、开车驾.....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。每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。
新知讲解
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。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。
课堂练习
3、根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（
）
A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化
B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
C．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小
D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
B
拓展学习
熵及熵增加原理
1.熵:熵可用来表达一个系统的无序程度,系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。
2.熵增加原理: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。
拓展提高
1、根据热力学第二定律，下列判断正确的是（
）
A.
电流的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度物体．
解析：根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正确．
BCD
拓展提高
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
机械能可通过克服摩擦全部转化为内能，第二类永动机没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，在产生其他影响的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，在产生其他影响的情况下，可以从单一热源吸收热量全部变成功
D
3、根据热力学第二定律，下列判断正确的(
)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
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
拓展提高
热源
冷凝器
热机
机械能
由电流热效应的焦耳定律可知，电能可全部转化为内能，热量从低温物体传给高温物体，必须有外界做功，结果会带来其他影响。
ACD
课堂总结
热力学第二定律
热传递的方向
热力学第二定律
热力学第二定律克劳修斯表述
热力学第二定律开尔文表述
能源是有限的
板书设计
热力学第二定律
热传递的方向
热力学第二定律
热力学第二定律克劳修斯表述
热力学第二定律开尔文表述
能源是有限的
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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