《热力学第二定律》教学设计

1、热力学第二定律授课设计【授课目标】一、知识和技术、能判断波及热现象的宏观过程是拥有方向性的；、知道并理解热力学第二定律的两种经典表述；、形成对于宏观热现象都拥有不能够逆性的见解；、认识到热力学第必然律与热力学第二定律拥有同样重要的意义。二、过程和方法分析各样热学现象的过程，概括出现象背后的宽泛规律热力学第二定律。三、感情、态度和价值观、领悟科学发现的波折性和必然性；、领悟热力学第二定律对于人类实践的指导意义。【授课重点和难点】重点：热力学第二定律内容的理解。难点：热力学第二定律的两种表述的理解。【设计思路与授课流程】设计思路：本节内容的课程标准是：“经过自然界中宏观过程的方向性，认识热力学第二

2、定律。”热力学第二定律是紧跟在热力学第必然律此后的一节内容。学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律，在学完了热力学第必然律此后，对于能量守恒的认识就更深刻了。因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想，让学生思虑、讨论而引入新课。尔后再列举一些自觉的热学现象，概括出其中共同的特点：过程的不能够逆性。尔后就其中的热传导与功热转变两个过程详细分析，概括出热力学第二定律的两种经典表述：克劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的实质就是指宏观自觉的波及热现象的过程都是不能够逆的，任何一类宏观自觉的热学过程都能够作为热力学第二定律的表述。本节课的难点在于怎样理解热力学第二定律的两种

3、表述，特别是开尔文表述。授课中尽可能多地让学生分析实例，再借助于一些多媒体素材（我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画），从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识：热量能够自觉地从高温物体传到低温物体；功能够全部转变成热；热量能够从低温物体传到高温物体（但要有条件）；热能够转变为功（但不完满）。最后认识到热力学第二定律是与热力学第必然律并重的一条客观规律。授课流程：【授课资源】多媒体课件（包括视频及flash动画）【授课实录】一、引入新课师：我们刚刚学过了热力学第必然律，即能量的转变与守恒定律。既然能量的总量是不变的，但为什么还说有能源危机，还要提议节俭能源呢？从前有这样一个

4、设想（显现幻灯片），试图来解决我们的能源危机。（幻灯片内容）地球上有大量的海水，它的总质量约为141018t，若是这些海水的温度降低01oC，将要放出多少焦耳的热量？海水的比热容为C=42103J/（kg）师：请大家计算一下，上述过程将释放多少能量？23生：放出5810J的热量。师：这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。（秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦）（幻灯片）师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗？（学生疏组讨论）生1：这个方案可行，因为不违犯能量守恒定律。生2：这个方案不能够行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。生3：不同样意2的说法。其实

5、不是我们能想到的就必然能实现的。二、提出热力学第二定律师：那么这一想法实现的困难是技术上的阻挡呢？仍是理论上根本不能够能？可否还存在一些除了能量的转变与守恒定律之外的一些我们还必定依照的客观规律呢？现在让我们一同来学习本章第五节：热力学第二定律。师：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：空气和二氧化氮气体的扩散；烧红的铁棒浸入水中冷却；向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞充开；在草坪上转动的足球最后停下来；一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破裂。（显现视频）师：这些是我们眼中能看到的现象，大家可否描绘一下上述现象的逆过程？并判断这些逆过程可能实现吗？注意语言表述的正确性，大家相互讨论一下。（学生

6、疏组讨论）生1：现象的逆过程是均匀混淆的空气与二氧化氮气体过一段时间变的泾渭分明：上面是空气，下面是二氧化氮。该过程不能够能。生2：现象的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸取水的热量变红了，而水温降低了。该过程不能够能。生3：现象的逆过程是从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，将瓶塞冲开时的压强。该过程不能够能。瓶中气体的压强达到了生4：现象的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸取草地的热量转变成足球的动能，足球滚了起来。该过程不能够能。生5：现象错误！链接无效。的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完满的杯子，并跳回桌面。该过程不能够能。师：全部的这些现象有何共同特点？生：都是不能够逆的。师：既

7、然在不同样的现象背后存在着一个共同特点，那么就应该存在着一个宽泛的客观规律。事实上，很多科学家已经从不同样的角度分别进行了概括总结，提出了热力学第二定律。三、热传导过程分析克劳修斯表述师：分析诸如的热传导过程，要发生热传导必定具备什么条件？生：要有温度差。师：那么自觉的热传导过程有什么特点？生：总是从高温物体向低温物体传导。师：热量可否从低温物体传导到高温物体？生1：不能够，诸如中不能够能出现铁棒变红、水温降低的现象。生2：可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。师：很好，让我们一同来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题：一是电冰箱中热量传导的方向性；二是电冰箱中这种热量传导有

8、没有条件？三是分析电冰箱工作时能量转变情况。请大家相互讨论一下。（学生疏组讨论）生1：电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境；生2：只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程；生3：电冰箱工作时，耗资了电能。师：电冰箱工作时，耗资了电能，再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸取的热量与在箱外释放的热量，该过程中能量守恒吗？生4：能量必然是守恒的，或许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸取的热量。师：你的说法不错，诸如过程和电冰箱的工作过程能够用下面的流程图来表示：可见，热量传导能够从低温物体到高温物体。能够设想，拔掉电源的冰箱是不能够能达到制冷收效的，也就是下面的过程不能够能：（显现幻灯片）师：

9、早在1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能够自觉地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。生：也能够说成：热量不能够能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。四、功热转变过程分析开尔文表述师：足球在草坪上转动最后停下来，试分析该过程中的能量转变情况。生：足球的动能转变成内能。师：再比方小球从高处落下掉进沙坑，能量的转变情况怎样？生：小球的机械能转变成内能。师：机械能能够全部转变成内能，那么内能可否转变成机械能？生1：不能够，因为上面的过程是不能够逆的。生2：能够的，热量能够由高温物体传到低温物体，但也能够由低温物体传

10、到高温物体。师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机；二是内燃机。（显现flash动画）请察看热机与内燃机的工作流程，并分析能量转变的情况。生1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推进汽缸活塞对外做功，尔后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转变过程是：煤的化学能转变成水蒸汽的内能，再变成活塞运动的机械能。生2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混淆气体，接着活塞向上运动压缩混淆气体，点火后混淆气体爆炸，推进活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混淆气体的内能转变成机械能。师：以上两个过程都存在内能转变成机械能的现象。请分析这

11、些过程中，内能全部转变为机械能吗？生3：不能够，因为机械装置存在摩擦耗费，要耗资部分能量。生4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。师：这样看来，机械能与热能之间的转变也能够用下面的流程图来表示：（显现幻灯片）师：热机或内燃机就是从高温热源吸取热量Q1，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q2。这一过程是经过工作物质如水蒸气、汽油和空气混淆气体的焚烧等来达成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦耗费的能量理想化地降低到零，也不能够能除去尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转变提出了：不能够能从单调热源吸取热量，使之完满变成功，而不产生其他影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。因此热机

12、、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不能够能达成的：（显现幻灯片）师：大家可否就开尔文表述换一种说法？生：不能够能有效率为100%的热机。师：这种说法更简短。事实上，一般的汽车上的汽油机械效率只有轮机的效率比较高，也只能达到60%。20%30%，蒸汽五、热力学第二定律的实质师：热传导过程与功热转变过程的分析，获取了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么？生：都指了然物理进度的一种方向性。师：不错，热力学第二定律的实质就是指了然自觉的宏观热现象拥有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明能够作为热力学第二定律的表述。请察看扩散现象、气体向真空扩散的过程（显现幻灯片）

13、。大家可否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢？生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不能够逆的。生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不能够逆的。师：这些说法都不错，自然还有其他不同样的表述，全部的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论沟通。六、回首与思虑师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：可否利用海水降温的方法获取适用功？生1：不能够，该过程只管不违犯能量守恒定律，但却违犯了热力学第二定律。师：违犯了热力学第二定律中的哪一种表述？生2：违犯了开尔文表述。即不能够能从海水这单调热源吸取热量，使之变成适用功，而不产生其他影响。师：不错。可是在没有发现热力学第二定律从前，有很多科学家就试图制造诸这样类的机器，这称之为第二类永动机。现在看来，第二类永动机也不能够能实现。开尔文表述是从功能关系来表述的，因此开尔文表述也可说成：第二类永动机不能够能实现。可见我们不只要受制于能量的转变与守恒定律，还要碰到能量转变方向的限制。也能够说热力学第必然律指明了我们所拥有的“资本”总量；热力学第二定律则规定了我们“资本”营运的方式和方法。课后请同学们再利用热力学定律说明开始的五个视频的逆过程为什么不能够达成，教材后的问题与练习题。并达成【授课反省】与热力学第必然律不同样的是，热力学第二定律与平时