《热力学第二定律》教学设计

孙建龙

【中图分类号】G632.4【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2018）24-0240-01

【教学目标】

一、知识与技能

1.能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的。

2.知道并理解热力学第二定律的两种经典表述。

3.认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同樣重要的意义。

二、过程与方法

分析各种热学现象的过程，归纳出现象背后的普遍规律──热力学第二定律。

三、情感、态度和价值观

1.体会科学发现的曲折性和必然性。

2.体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。

【教学重点和难点】

重点：理解热力学第二定律的两种表述。

难点：热力学第二定律的两种表述的得出过程。

教学流程：

【教学资源】

多媒体课件（包括视频及flash动画）

【教学过程】

<观看视频、引入新课>

视频：《地球一小时在中国》“地球一小时”由WWF（世界自然基金会）于2007年在澳大利亚发起，2015，是地球一小时来到中国的第七年！对于发展中的中国来讲“熄灯一小时”不只是一个熄灯仪式，更是一种节能环保理念！

<过渡>哎，同学们，说到这儿，我就有点不明白了——我们刚刚学过了热力学第一定律和能量的转化与守恒定律。能量的总量既然是不变的，为什么还会有能源危机，还要提倡节约能源呢？

下面让我们一起进入本章第4节热力学第二定律的学习！

<新课教学>

讨论一：美好的设想

曾经，有这样一个设想：（幻灯片内容）

地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低1oC，放出的热量就达9×1018kwh，把这些热量全部用来做功，足够全世界使用4000年。

师：请大家讨论一下，这个方案可行吗？

……（学生分组讨论）

生1：这个方案可行，因为不违背能量守恒定律。

生2：这个方案不可行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。

生3：不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。

……

<过渡>这一想法的实现是技术上的障碍呢？还是理论上根本不可能？要回答这个问题，我们先从生活中的一些现象说起！

讨论二：生活中的现象

①刚煮好的鸡蛋放入冷水中，过一会儿，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。

②在平地上滚动的足球最终停下来。

③一滴墨水滴进一杯清水中，不久整杯水都均匀的变黑了。

④装着压缩气体的钢瓶，打开阀门后，会听到“哧——”一声

……

师：这些是我们能看到的现象，能否描述一下上述现象的逆过程？

这些逆过程会自发的发生吗？（自发——没有任何外界的影响和帮助）

注意语言表述的准确性，大家讨论一下。

（学生分组讨论）

师：所有的这些现象有何共同特征？

（都是不可逆的）

<过渡>既然在不同的现象背后存在着一个共同特征，那么就有可能存在着一个普遍的客观规律。事实上，许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结，提出了热力学第二定律。

<热力学第二定律之克劳修斯表述>

德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发的从低温物体传到高温物体。

请问同学们：

1.克劳修斯的这个表述是由哪个生活现象出发推理得到的？（第①个）

2.如果鸡蛋与水的温度一样，还能否发生热传递？

3.要发生热传递必须具备什么条件？

4.热量总是自发的从高温物体传到低温物体吗？

5.热量能否从低温物体传导到高温物体？（可能，比如电冰箱、空调等）

讨论三：电冰箱的降温原理

1.电冰箱的内部温度比外部低，为什么还能不断的把箱内食品的热量传给高温物体（外部空气）？

2.如果电冰箱的压缩机不消耗电能，热量还能否从低温传到高温？

（学生分组讨论）

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，消耗了电能。

师：电冰箱工作时，消耗了电能，电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示：

<过渡>克劳修斯从热传导出发，思考得到了热力学第二定律的一种表述。那如果我们从第二个现象出发，又会得到怎样的而结果呢？

<热力学第二定律之开尔文表述>

师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。

生：足球的机械能转化为内能。

师：机械能可以自发的全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能？

生1：不能，因为上面的过程是不可逆的。

生2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传到高温物体。

师：你的类比不错。在生活中确实存在将内能转化为机械能的例子——热机。（展示flash动画和内燃机模型）

讨论四：热机的工作原理

热机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。

师：以上过程中，内能全部转化为机械能吗？

生3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。

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化也可以用下面的流程图来表示：

（展示幻灯片）

师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q1，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q2。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。

在1851年，开尔文就功与热的转化提出了热力学第二定律的第二种表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。

思考：美好的设想会实现吗？

第二类永动机不可能制成！

<规律升华>

1.两大定律的关系：

两个定律从不同的角度揭示了热力学过程遵从的规律，既相互独立，又相互补充，共同构成热力学理论的基础。

热力学第一定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“资本”运营的方式和方法。

2.热力学第二定律的本质：

一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性！

<巩固反馈>

1.根据热力学第二定律，下列判断正确的是（ ）

A.电能不可能全部变为内能

B.在火力发电站中，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，热量不可能从低温物体传递给高温物体

2.下列判断正确的是（ ）

A.在自然条件下，热传递的过程是不可逆的

B.热量不可能由高温物体传递给低温物体

C.气体的扩散过程具有方向性

D.一切形式的能量转化都具有方向性

<课外拓展>

1.第二类永动机不可能制成。但是，历史上有关永动机的设计还是很有趣的。课下，你能了解一下吗？

2.热力学第二定律告诉我们与热现象有关的宏观过程都具有方向性，从分子运动的微观角度如何理解呢？