《熱力學第二定律》教學設計

孫建龍

【中圖分類號】G632.4【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）24-0240-01

【教學目標】

一、知識與技能

1.能判斷涉及熱現象的宏觀過程是具有方向性的。

2.知道并理解熱力學第二定律的兩種經典表述。

3.認識到熱力學第一定律與熱力學第二定律具有同樣重要的意義。

二、過程與方法

分析各種熱學現象的過程，歸納出現象背后的普遍規律──熱力學第二定律。

三、情感、態度和價值觀

1.體會科學發現的曲折性和必然性。

2.體會熱力學第二定律對于人類實踐的指導意義。

【教學重點和難點】

重點：理解熱力學第二定律的兩種表述。

難點：熱力學第二定律的兩種表述的得出過程。

教學流程：

【教學資源】

多媒體課件（包括視頻及flash動畫）

【教學過程】

<觀看視頻、引入新課>

視頻：《地球一小時在中國》“地球一小時”由WWF（世界自然基金會）于2007年在澳大利亞發起，2015，是地球一小時來到中國的第七年！對于發展中的中國來講“熄燈一小時”不只是一個熄燈儀式，更是一種節能環保理念！

<過渡>哎，同學們，說到這兒，我就有點不明白了——我們剛剛學過了熱力學第一定律和能量的轉化與守恒定律。能量的總量既然是不變的，為什么還會有能源危機，還要提倡節約能源呢？

下面讓我們一起進入本章第4節熱力學第二定律的學習！

<新課教學>

討論一：美好的設想

曾經，有這樣一個設想：（幻燈片內容）

地球上有大量的海水，它的總質量約為1.4×1018t，如果這些海水的溫度降低1oC，放出的熱量就達9×1018kwh，把這些熱量全部用來做功，足夠全世界使用4000年。

師：請大家討論一下，這個方案可行嗎？

……（學生分組討論）

生1：這個方案可行，因為不違背能量守恒定律。

生2：這個方案不可行，若可行的話，科學家早就將這一想法付諸實踐了。

生3：不同意2的說法。并不是我們能想到的就一定能實現的。

……

<過渡>這一想法的實現是技術上的障礙呢？還是理論上根本不可能？要回答這個問題，我們先從生活中的一些現象說起！

討論二：生活中的現象

①剛煮好的雞蛋放入冷水中，過一會兒，雞蛋的溫度降低，水的溫度升高，最后水和雞蛋的溫度相同。

②在平地上滾動的足球最終停下來。

③一滴墨水滴進一杯清水中，不久整杯水都均勻的變黑了。

④裝著壓縮氣體的鋼瓶，打開閥門后，會聽到“哧——”一聲

……

師：這些是我們能看到的現象，能否描述一下上述現象的逆過程？

這些逆過程會自發的發生嗎？（自發——沒有任何外界的影響和幫助）

注意語言表述的準確性，大家討論一下。

（學生分組討論）

師：所有的這些現象有何共同特征？

（都是不可逆的）

<過渡>既然在不同的現象背后存在著一個共同特征，那么就有可能存在著一個普遍的客觀規律。事實上，許多科學家已經從不同的角度分別進行了歸納總結，提出了熱力學第二定律。

<熱力學第二定律之克勞修斯表述>

德國物理學家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發的從低溫物體傳到高溫物體。

請問同學們：

1.克勞修斯的這個表述是由哪個生活現象出發推理得到的？（第①個）

2.如果雞蛋與水的溫度一樣，還能否發生熱傳遞？

3.要發生熱傳遞必須具備什么條件？

4.熱量總是自發的從高溫物體傳到低溫物體嗎？

5.熱量能否從低溫物體傳導到高溫物體？（可能，比如電冰箱、空調等）

討論三：電冰箱的降溫原理

1.電冰箱的內部溫度比外部低，為什么還能不斷的把箱內食品的熱量傳給高溫物體（外部空氣）？

2.如果電冰箱的壓縮機不消耗電能，熱量還能否從低溫傳到高溫？

（學生分組討論）

生1：電冰箱工作時是將熱量從低溫環境傳到高溫環境。

生2：只有在電冰箱插上電源后，才能實現上述熱量傳導過程。

生3：電冰箱工作時，消耗了電能。

師：電冰箱工作時，消耗了電能，電冰箱的工作過程可以用下面的流程圖來表示：

<過渡>克勞修斯從熱傳導出發，思考得到了熱力學第二定律的一種表述。那如果我們從第二個現象出發，又會得到怎樣的而結果呢？

<熱力學第二定律之開爾文表述>

師：足球在草坪上滾動最終停下來，試分析該過程中的能量轉化情況。

生：足球的機械能轉化為內能。

師：機械能可以自發的全部轉化為內能，那么內能能否轉化為機械能？

生1：不能，因為上面的過程是不可逆的。

生2：可以的，熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，但也可以由低溫物體傳到高溫物體。

師：你的類比不錯。在生活中確實存在將內能轉化為機械能的例子——熱機。（展示flash動畫和內燃機模型）

討論四：熱機的工作原理

熱機工作過程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運動壓縮混合氣體，點火后混合氣體爆炸，推動活塞對外做功，最后將汽缸中的尾氣排出。該過程中混合氣體的內能轉化為機械能。

師：以上過程中，內能全部轉化為機械能嗎？

生3：不能，因為機械裝置存在摩擦損耗，要消耗部分能量。

生4：從汽缸中排出的尾氣也帶走了部分能量。

師：這樣看來，機械能與熱能之間的轉化也可以用下面的流程圖來表示：

（展示幻燈片）

師：熱機或內燃機就是從高溫熱源吸收熱量Q1，其中對外做功為W，到低溫熱源放出熱量Q2。即使將摩擦損耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾氣帶走的熱量。

在1851年，開爾文就功與熱的轉化提出了熱力學第二定律的第二種表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變為功，而不產生其它影響。這就是熱力學第二定律的開爾文表述。

思考：美好的設想會實現嗎？

第二類永動機不可能制成！

<規律升華>

1.兩大定律的關系：

兩個定律從不同的角度揭示了熱力學過程遵從的規律，既相互獨立，又相互補充，共同構成熱力學理論的基礎。

熱力學第一定律指明了我們所擁有的“資本”總量。

熱力學第二定律則規定了“資本”運營的方式和方法。

2.熱力學第二定律的本質：

一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性！

<鞏固反饋>

1.根據熱力學第二定律，下列判斷正確的是（ ）

A.電能不可能全部變為內能

B.在火力發電站中，燃氣的內能不可能全部變為電能

C.熱機中，燃氣內能不可能全部變為機械能

D.在熱傳導中，熱量不可能從低溫物體傳遞給高溫物體

2.下列判斷正確的是（ ）

A.在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的

B.熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體

C.氣體的擴散過程具有方向性

D.一切形式的能量轉化都具有方向性

<課外拓展>

1.第二類永動機不可能制成。但是，歷史上有關永動機的設計還是很有趣的。課下，你能了解一下嗎？

2.熱力學第二定律告訴我們與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，從分子運動的微觀角度如何理解呢？