高中物理 10.4《热力学第二定律》教案 新人教版选修3-3

用心 爱心 专心 10 410 4 热力学第二定律热力学第二定律 教学目的 1 了解某些热学过程的方向性 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表述 理解热力学第二定律的物理实质 4 知道什么是能量耗散 5 知道什么是热力学第三定律 教学重点 1 热力学第二定律的实质 定律的两种不同表述 2 知道什么是第二类永动机 以及它不能制成的原因 教学难点 热力学第二定律的物理实质 教具 扩散装置 教学过程 引入 学生答问 1 热力学第一定律的形式若何 符号法则怎样 2 什么是第一类永动机 热力学第一定律和能量守恒定律具有相同的实质 表征的是能量转移或转化过程中总量 不变 既然能量只是在不停地转移或转化 而不会消失 我们为什么还在面临能源危机 还 在不停地呼吁节约能源呢 我们今天来探讨一下这个问题 一 某些热学过程的方向性 人们认识问题 总是先有素材 再有思索 然后才有理论的总结与上升 我们先看这样 的事实 根据初中学过的物理常识 我们知道热传导会在两个有温差的物体间产生 会自发的从 高温物体传至低温物体 那么 热传导会不会从低温物体传至高温物体呢 不会 我们把这 种现象称之为 热传导的方向性 在看另一个事实 表述教材 P85 图 11 12 的物理情形 人们也做过理论上的预测 扩 散既然是分子无规则运动引起 那么 原来 A 容器中的气体分子恰好全部回到 A 容器是可能 的 只是这种几率非常非常小 以至于在现实中还从来没有发生过 这说明 扩散现象有方向性 事实三 有初速度的物体 在水平面上运动 总要停下来 因为摩擦生热 机械能转化 成了内能 但是 由于内能的增量一部分转移到物体和地面 另一部分转移到了空中 通常 称之为耗散 我们要把这部分内能收集起来 然后通过某种机器或装置让它转化成物体重 新运动的机械能 这可能吗 答案必然是否定的 甚至人们还尝试过 即便能够把这部分内 能完全收集 不散失 要使它完全转化成机械能 也是绝对不可能的 所以 我们说 涉 及到热现象的 能量转化有方向性 怎样表征这种热学过程的方向性呢 二 热力学第二定律 在介绍热力学第二定律之前 先介绍相关概念 热机 将内能转化成机械能的装置 它们的主要工作原理都是利用高温高压的气体 用心 爱心 专心 或蒸汽膨胀做功 如蒸汽机 汽轮机 燃气轮机 内燃机和喷气发动机等 内能的来源有燃 料燃烧所放出的内能 地热以及原子能 转化 太阳能 转化 等 热机的组成必须具备 三个组成部分 其一是发热器 它是使燃料所释放出的能量转变为工作物质 简称工质 内 能的装置 其二是工作部分 它是使工质消耗内能来做机械功的装置 其三是冷凝器 这部 分是容纳工作部分排出的废工质的装置 热机工作时 工质从发热器得到的热量 只有一部 分转变为机械功 其余部分都传给了冷凝器 由于内能往机械能的转化不会自发的进行 所以热机事实上人为造就的 一种逆自然过 程的能量转化装置 科学家们对热机的工作进行了定量的研究 令工质从发热器得到的热量为 Q1 最后被冷 凝器带走的热量为 Q2 最终耗散到大气 循环水中 转变成机械功的只是 W Q1 Q2 可 不可以不设置冷凝器 不带走 Q2 令 Q1 W 呢 物理语言叫热机的效率 1 Q W 100 科学家们经过了种种努力 发现这是不可能的 也就是说 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来作功 而不引起其它变 化 这就是热力学第二定律 对热机的定量研究事实映射出这样的信息 要将自发的热学过程人为地逆转 虽然是可 能的 但必须付出代价 也就是所谓的 其它变化 手段的代价 能量的代价 所以 我们也可以把热学过程的方向性就看成是是热力学第二定律的的一种体现 于是 热力学第二定律的一种更朴实的表述是 不可能使热量从低温物体传至高温物体 而引起其它变化 我们通常把这种表 述方式称为克劳修斯表述 与之对应的 先前的一种表述被称为开尔文表述 毫无疑问 这 是为了纪念这两位科学家在该领域研究的突出贡献与成就 关于克劳修斯表述 我们可以通过这样一个事实理解 通过人为的努力 电冰箱和空调 实现了热量从低温物体往高温物体的传递 但是 我们付出了手段方面的代价 购置冰箱的 经济代价 能量方面的代价 持续地缴纳电费 甚至付出了环境方面的代价 定量研究 表明 冰箱释放给环境的热量必然要多于从冷藏室吸收热量 和空调一样 它能使环境升 温 是一种 损人利己 的发明 这就是所谓的 其它变化 关于开尔文表述 一个反面的素材是 要制成效率为 100 的热机是不可能的 人们也把效率为 100 的热机称为第二类永动机 前面我们已经知道 第一类永动机违背的是热力学第一定律 那么 与之对应的 第二 类永动机则是违背了热力学第二定律 热力学第二定律所展示的热学过程的方向性 在大学里面有一种定量的描述 那就是 热学过程总是往熵 H 增大的方向发展 熵 H 的物理定义 我们这里不便介绍 一个通俗理解 是 熵是事物发展的混乱程度 除了在物理学方面具有重要意义之外 目前人们已经发现 热力学第二定律在社会学 哲学方面的正确性 十年前 就有一本美国人的书给我的印象特别深 叫做 熵 一种新的 世界观 它用热力学第二定律论证全球化经济和社会问题 得到了人们广泛的认同 下面我们介绍其它的相关知识 三 热力学第三定律及其它 前面已经介绍了 绝对零度不可达到 我们把它成为热力学第三定律 有第一 第二 第三定律 其实还有第零定律 在热学过程中 有一些能量被环境吸收 无法继续回收 我们成为能量的耗散 用心 爱心 专心 关于能量耗散现象 结合热学过程的方向性 怎样解释能源与环境的问题 会在下一节 详细介绍 四 小结 本节我们知道了热学过程的方向性 并知道了由此总结出来的热力学第二定律 最后介 绍了一些相关概念 热力学第二定律有两种表述 它们都