热力学第二定律教案.doc

六 热力学第二定律
安徽省舒城中学（231300） 吕贤年
【教学目标】
1、知识目标
(1)了解热传导过程的方向性；
(2)了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成；
(3)了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质；
(4)了解什么是能量耗散；
(5)了解热力学温度与摄氏温度的关系，了解绝对零度不可能达到。
2、能力目标
培养学生通过日常生活现象概括物理规律的能力。
3、德育目标
通过第二类永动机不可能制成的教学，教育学生要有效地利用自然界提供的各种能源，必须遵循自然界的规律。
【教学重点】
(1)热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质；
(2)第二类永动机及其不能制成的原因。
【教学难点】
第二类永动机及其不能制成的原因。
【教学方法】
阅读法、分析归纳法、讲练法。
【教具准备】
投影仪、投影片、录像带。
【课时安排】
1课时
【教学过程】
一、导入新课
地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018 t，只要这些海水的温度降低0.1℃，就能放出5.8×1023 J的能量，这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量，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，这涉及到物理学的一个基本定律，这就是本节要学习的热力学第二定律。

二、新课教学
1、热传导的方向性
问题：两个温度不同的物体互相接触时，将会出现什么现象？
结论：两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发从高温物体传给低温物体，使高温物体温度降低，低温物体温度升高。
(1)热量自发地从高温物体传给低温物体
上述过程中热量是自发地从高温物体传给低温物体的，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助。
(2)热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助
问题：大家见过热量从低温物体传给高温物体的实例吗？
现象：电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体。
分析：电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能，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，使其温度逐渐升高。
结论：热量却不能自动地从低温物体传向高温物体，要实现这一过程，必须借助外界的帮助，就是要有外界对其做功才能完成。
巩固练习
电冰箱是一种类型的制冷机，是用机械的方式制造人工低温的装置。下图为电冰箱的原理图，一般电冰箱使用氟里昂12，即二氯二氟甲烷（CCl2F2）作为制冷剂。试回答下列问题：
压缩机

蒸发
器

毛细管

冷凝器

①叙述电冰箱的工作原理。
②一小孩看到电冰箱能制冷，便打开电冰箱使室内凉快些，试问此方法是否可行？
③压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，那么下列说法中正确的是
A．在电冰箱的内管道中，制冷剂迅速膨胀并吸收热量。
B．在电冰箱的外管道中，制冷剂迅速膨胀并放出热量。
C．在电冰箱的内管道中，制冷剂剧烈压缩吸收热量。
D．在电冰箱的外管道中，制冷剂被剧烈压缩放出热量。
解析：①热量不会自发地从低温热源移向高温热源，要实现这种逆向传热，需要外界做功。气态的制冷剂二氯二氟因压缩机中经压缩成高温气体，送入冷凝器，将热量传给空气或水，同时制冷剂液化成液态氟里昂，再通过膨胀阀或毛细管进行节流减压膨胀后，进入箱内蒸发器，液态氟里昂在低压下可以在较低的温度下蒸发为气体，在蒸发过程中制冷剂吸热，使周围温度降低，产生低温环境，蒸发后汽态的制冷剂再送入压缩机，这样周而复始，由外界（压缩机）做功，系统（制冷剂）从低温热源（蒸发器）吸热，把热量传到高温热源（冷凝器），从而在冰箱内产生低于室温的温度。
②因为电冰箱的吸热装置（蒸发器）和散热器（冷凝器）同处室内，因此无法使室内温度降低，由于压缩机不断消耗电能做功转化为内能，室内温度还会升高。
③根据前面的分析可知，本题正确答案为：A、D
(3)热传导具有方向性
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，因而要产生其他影响或引起其他变化。
(4)所有的宏观自发过程都具有单向性
在整个自然界中，无论有生命或无生命，所有的宏观自发过程都具有单向性，都是一种不可逆的过程。
2、第二类永动机
问题：一个在水平地面上运动的物体，撤去外力作用后，为什么会停下来？ 在这个过程中，能量是如何转化的？
分析：在水平地面上运动的物体，撤去外力后，由于克服摩擦力做功，所以最后会停下来；在这一过程中，物体的动能转化为内能。
(1)热机
①概念
热机是把内能转化成机械能的装置。
②热机的效率
以内燃机为例，汽缸中的气体吸收热量Q1，推动活塞做功W，排出废气时放出热量Q2。由能量守恒定律知：
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，叫做热机的效率。
η＝＝＝1－
(放映热机工作的录像资料，加深学生的理解)
实际上，热机不能把它得到的全部内能转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中，热机的效率不可达到100%。
(2)第二类永动机
问题：假想发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化，这是否可能？
结论：不可能。热机不可能把内能全部转化为机械能，而不引起其它变化。
①第二类永动机
从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机，叫第二类永动机。
②第二类永动机不可能制成的原因
第二类永动机虽不违背守恒定律，但是也失败了。第二类永动机不可能制成，是因为机械能和内能的转化过程具有方向性，也就是说机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。
3、热力学第二定律
(1)扩散现象具有方向性
K

A

B

演示：如图所示的连通容器，A中装有红棕色气体NO2，B中原是真空，打开阀门K，观察发生的现象。
现象：我们看到A中的气体自发地向容器B中膨胀，最后两个容器都充满气体。
问题：气体是否会自发地从容器B流向容器A，最后使容器B恢复成真空呢？
结论：不会自发地分开，使容器B恢复成真空。
问题：怎样才能使容器B恢复成真空呢？
结论：只能用抽气机把容器B中的气体抽到容器A中，可以使容器B恢复成真空。但是，这要借助抽气机的帮助。
上述实验说明热学中的扩散现象具有方向性。
(2)热力学第二定律
物理学家分析了大量的自然现象，又总结了第二类永动机不可能制成的经验，把类似的具有方向性的现象进行概括，得到了热力学第二定律。
①两种表述
按热传递的方向性表述：
不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化；(克劳修斯在1850年提出)
按机械能与内能转化过程的方向性表述：
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。也可以表述为第二类永动机是不可能制成的。(开尔文于1851年提出)
②两种表述是等效
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。
热力学第二定律的两种表述是等效的，即由其中的一种表述可推导出另一种表述。我们用反证法来证明：
低温热源T2

Q

Q

Q1＝Q

W

Q2

Q－Q2

W

高温热源T1

设克劳修斯的表述不对，热量Q可以通过某种方式由低温热源T2处传递到高温高温热源T1处而不产生其他影响。那么，我们就可以在这高温热源T1和低温热源T2处设计一个热机，令它在一个循环中从高温热源吸取热量Q1＝Q，部分用来对外做功W，另一部分Q2在低温热源处放出，这样总的结果就是：高温热源没有发生任何变化，而只是从单一热源处吸收热量Q－Q2全部用来做功W，这是违反开尔文表述的。
因此，如果克劳修斯的表述不对，开尔文表述也不对。
(3)热力学第二定律建立的意义
(学生阅读课文，总结归纳)
①热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，这也是热力学第二定律的实质。
②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，对人们认识自然、利用自然有重要的指导意义。
4、能量耗散
自然界总的能量是守恒的，为什么要节约能源呢？
原来有的能量便于利用，有的能量不便于利用。
(1)能量耗散
没办法把流散的内能重新收集起来加以利用的现象，叫做能量耗散。
(学生阅读课文)
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
5、绝对零度不可能达到
(1)绝对温度
①绝对零度
宇宙中存在着温度的下限：－273.15℃，这个温度叫做绝对零度，又叫热力学零度。
②热力学温度
以绝对零度为起点的温度叫做热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K。
③热力学温度与摄氏温度的关系
热力学温度与摄氏温度的每一度大小是相同的，它们的关系如下：
T＝t＋273.15K
ΔT＝Δt
(一些物体的实际温度值，参见课本P87的表格)
(2)热力学第三定律
在低温领域里，许多物质有异于常温下的特性，人们正在探索低温领域的物理现象。人们发现，越是温度低，降温越困难。随着科学技术的发展，众可以获得越来越低的温度，实验室中的低温已经非常接近热力学零度了。
对大量事实的分析表明：热力学零度可以尽可能地接近，但不可能达到。
热力学零度不可能达到，这个结论称做热力学第三定律。
尽管热力学零度不可能达到，但是只要不是绝对零度，就总有可能降低。因此，热力学第三定律，不阻止人们想办法尽可能地接近绝对零度

巩固练习
热力学第一定律和热力学第二定律的关系。
参考答案：
热力学第一定律和第二定律都自然界中独立的定律，热力学第二定律是第一定律的补充。
①第一定律只指出了η不大于100%，而第二定律指出的是η不等于100%，说明功可以全部变为热，而热量不能通过单一循环全部变为功，即机械能和内能是有区别的。
②第一定律指出了热功等效和转换关系，指出任何过程能量必须守恒。第二定律指出的是：并非所有能量守恒过程都能实现，低温热源的热量就不能自动地传向高温热源，揭示了过程进行的方向和条件。
③第一定律没有温度的概念，第二定律中有了温度的概念，提出了在高温热源和低温热源间的问题，提出了不同温度差下，相同的热量效果是不一样的，有必要加以区分。

三、小 结
通过本节课的学习，明确了热传导、机械能和内能之间相互转化等自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。了解了第二类永动机及基不可能制成的原因，归纳总结出了热力学第二定律，它的两种表述是等价的。热力学第二定律，提示了大量分子参与的宏观过程的方向性，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。了解了有关能量耗散的情况，能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。

四、作 业
阅读本节课文

【板书设计】 七 热力学第二定律
1、热传导的方向性
高温物体

低温物体

自发进行

不能自发进行

(1)热量自发地从高温物体传给低温物体
(2)热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助
(3)热传导具有方向性
(4)所有的宏观自发过程都具有单向性
2、第二类永动机(1)热机
①概念
机械能

内能

自发全部转化

不能自发全部转化

热机是把内能转化成机械能的装置。
②热机的效率
热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值，叫做热机的效率。
η＝
热机的效率不可能达到100%。
(2)第二类永动机
①第二类永动机
从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机，叫第二类永动机。
②第二类永动机不可能制成的原因
第二类永动机虽不违背守恒定律，不可能制成，是因为机械能和内能的转化过程具有方向性。
3、热力学第二定律
(1)扩散现象具有方向性
(2)热力学第二定律
①两种表述
不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化；
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。也可以表述为第二类永动机是不可能制成的。
②两种表述是等效
(3)热力学第二定律建立的意义
①热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
②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，对人们认识自然、利用自然有重要的指导意义。
4、能量耗散
(1)能量耗散
没办法把流散的内能重新收集起来加以利用的现象，叫做能量耗散。
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
5、绝对零度不可能达到
(1)绝对温度
①绝对零度
－273.15℃，叫做绝对零度，又叫热力学零度。
②热力学温度
以绝对零度为起点的温度叫做热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K。
③热力学温度与摄氏温度的关系
T＝t＋273.15K
ΔT＝Δt
(2)热力学第三定律
热力学零度不可能达到，这个结论称做热力学第三定律。

【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，热力学第一定律对自然过程没有任何限制，只指 出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。
对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，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。
教材介绍了热力学第二定律的两种表述：一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：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，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。
第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。