《热力学第二定律》教学设计-

1、1/ 6 热力学第二定律教学设计 这节课的内容是人民教育出版社出版的高中物理选修 3-3 教材第十章 第五节。 1 教学目的 1.1 知识和技能 (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) 形成关于宏观热现象都具有不可逆性的概念。 (4) 认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样严重的意义。 1.2 过程和方法 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。 1.3 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。 2 教学重点和难点 2.1

2、重点 热力学第二定律内容的理解。 2.2 难点 热力学第二定律的两种表述的理解。 3 设计思路与教学流程 3.1 设计思路 课程标准对本节内容的要求是 : “通过自然界中宏观过程的方向性 ,了解热力 学第二定律。 ”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。学生 早在初2/ 6 中就知道了能量的转化与守恒定律 ,在学完了热力学第一定律之后 ,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 ,让学生思考、讨论进而引入新课。然后再列举一些自发的热学 现象 ,归纳出其中共同的特征 :过程的不可逆性。接着对其中的热传导与功热转化 两个过程具

3、体分析 ,归纳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发的涉及热现象的过程都是不可逆的 , 任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。本节课的难 点在于如何理解热力学第二定律的两种表述 ,特别是开尔文表述。教学中尽可能 多地让学生分析实例 ,从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识 :热 量可以自发地从高温物体传到低温物体 ;功可以全部转化为热 ;热量可以从低温物 体传到高温物体 （但要有条件 ）;热可以转化为功 （但不完全 ）。最终认识到热力学第 二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。 3.2 教学流程 （

4、图 1） 4 教学实录 4.1 引入新课 师 :我们刚刚学过了热力学第一定律 ,即能量的转化与守恒定律。既然能量的 总量是不变的 ,但为什么还说有能源危机 ,还要提倡节约能源呢 ?曾经有这样一个 设想 （展示幻灯片 ）,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 1.4 x 1018t 如果这些海水的温度降低 0.1 C，将要放出多少焦耳的热量？海水 的比热容为 c=4.2 x 103J/（kg&#822&）师:请大家计算一下，上述过程将释放多少能 量? 生:放出 5.8 x 1023JJ 热量。 师:这相当于 1800 万个大亚湾核电站一

5、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 ? 3/ 6 . 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: 例外意 2 的说法。并不是我们能想到的就一定能实现。 4.2 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障碍呢 ?还是理论上根源不可能 ?是 否还存在一些除了能量转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律 呢?现在让我们一起来学习本章第五节 :热力学第二定律。 师

6、:首先我们来分析下面这样一些物理现象 : 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 坪上滚动的足球最终停下来 ; 一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。 （展示视 频） 师:这些是我们生活中的现象 ,大家能否描述一下上述现象的逆过程 ?并判断 这些逆过程可能实现吗 ?大家相互讨论一下。 . 学生分组讨论） 生 1:现象的逆过程是平均混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变得泾 渭分明 :上面是空气 ,下面是二氧化氮。该过程不可能。 生 2:现象的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸收水的热量变红了 而水温降低了。该过程不可能。 生 3:现象 的逆过程是

7、从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中 ,瓶中气体的压 强达到了将瓶塞冲开时的压强。该过程不可能。 生 4:现象 的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸收草地的热量转化为 足球的动能 ,足球滚了起来。该过程不可能。 生 5:现象 的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成统统的杯子 ,并跳回 桌4/ 6 面。该过程不可能。师 :所有的这些现象有何共同特征 ? 生 :都是不可逆的。 师 :既然在例外的现象背后存在着一个共同特征 ,那么就应该存在着一个普遍 的客观规律。事实上 ,许多科学家已经从例外的角度分别进行了归纳总结 ,提出了 热力学第二定律。 4.3 热传导过程分析 -克劳修斯表述 师:分析诸如 的热

8、传导过程 ,要发生热传导必须具备什么条件 ? 生:要有温度差。 师 :那么自发的热传导过程有什么特征 ? 生:总是从高温物体向低温物体传导。 师 :热量能否从低温物体传导到高温物体 ? 生 1:不能 ,诸如 中不可能出现铁棒变红、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,让我们一起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没有条件 ?三是分析电冰箱工 作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。 . 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

9、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 ,再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱 外释放的热量 ,该过程中能量守恒吗 ?生 4:能量肯定是守恒的 ,也许释放到电冰箱 外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。 5/ 6 师:你的说法可以 ,诸如过程 和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来 表示:图 2 图 3 可见 ,热量传导可以从低温物体到高温物体。但是断掉电源的冰箱是不可能 制冷的,也就是下面的过程不可能 :（图 4）图 4 师:早在 1850 年德国物理学家克劳修 斯就总结了热传导过程的规律 ,称之为热力学第

10、二定律的克劳修斯表述 :热量不能 自发地从低温物体传到高温物体。请大家将这一意思换一种表述方法。 生 :也可以说成 :热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。 4.4 功热转化过程分析 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:足球的动能转化为内能。 师 :再比如小球从高处落下掉进沙坑 ,能量的转化情况怎样 ?生:小球的机械能 转化为内能。师 :机械能可以全部转化为内能 ,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

11、比可以。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。 （展示 flash 动画 ）请观察热机与内燃机的工作流程 ,并分析能量转化的情 况。 生 1: 热机工作过程中 ,锅炉中的水被加热变成水蒸气 ,水蒸气推动汽缸活塞对 外做功 ,然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转化 过程是 :煤的化学能转化为水蒸汽的内能 ,再变为活塞运动的机械能。 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 :以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程 ,内能能 全部转化为机械能吗 ? 6/ 6 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会带走了部分能量。 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 :图 5 图 6 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,向低温热 源放出热量