《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)設(shè)計(jì)

孫建龍

【中圖分類(lèi)號(hào)】G632.4【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）24-0240-01

【教學(xué)目標(biāo)】

一、知識(shí)與技能

1.能判斷涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程是具有方向性的。

2.知道并理解熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述。

3.認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律具有同樣重要的意義。

二、過(guò)程與方法

分析各種熱學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程，歸納出現(xiàn)象背后的普遍規(guī)律──熱力學(xué)第二定律。

三、情感、態(tài)度和價(jià)值觀

1.體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折性和必然性。

2.體會(huì)熱力學(xué)第二定律對(duì)于人類(lèi)實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

【教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)】

重點(diǎn)：理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述。

難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的兩種表述的得出過(guò)程。

教學(xué)流程：

【教學(xué)資源】

多媒體課件（包括視頻及flash動(dòng)畫(huà)）

【教學(xué)過(guò)程】

<觀看視頻、引入新課>

視頻：《地球一小時(shí)在中國(guó)》“地球一小時(shí)”由WWF（世界自然基金會(huì)）于2007年在澳大利亞發(fā)起，2015，是地球一小時(shí)來(lái)到中國(guó)的第七年！對(duì)于發(fā)展中的中國(guó)來(lái)講“熄燈一小時(shí)”不只是一個(gè)熄燈儀式，更是一種節(jié)能環(huán)保理念！

<過(guò)渡>哎，同學(xué)們，說(shuō)到這兒，我就有點(diǎn)不明白了——我們剛剛學(xué)過(guò)了熱力學(xué)第一定律和能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律。能量的總量既然是不變的，為什么還會(huì)有能源危機(jī)，還要提倡節(jié)約能源呢？

下面讓我們一起進(jìn)入本章第4節(jié)熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)！

<新課教學(xué)>

討論一：美好的設(shè)想

曾經(jīng)，有這樣一個(gè)設(shè)想：（幻燈片內(nèi)容）

地球上有大量的海水，它的總質(zhì)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(dá)9×1018kwh，把這些熱量全部用來(lái)做功，足夠全世界使用4000年。

師：請(qǐng)大家討論一下，這個(gè)方案可行嗎？

……（學(xué)生分組討論）

生1：這個(gè)方案可行，因?yàn)椴贿`背能量守恒定律。

生2：這個(gè)方案不可行，若可行的話，科學(xué)家早就將這一想法付諸實(shí)踐了。

生3：不同意2的說(shuō)法。并不是我們能想到的就一定能實(shí)現(xiàn)的。

……

<過(guò)渡>這一想法的實(shí)現(xiàn)是技術(shù)上的障礙呢？還是理論上根本不可能？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先從生活中的一些現(xiàn)象說(shuō)起！

討論二：生活中的現(xiàn)象

①剛煮好的雞蛋放入冷水中，過(guò)一會(huì)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(dòng)的足球最終停下來(lái)。

③一滴墨水滴進(jìn)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(kāi)閥門(mén)后，會(huì)聽(tīng)到“哧——”一聲

……

師：這些是我們能看到的現(xiàn)象，能否描述一下上述現(xiàn)象的逆過(guò)程？

這些逆過(guò)程會(huì)自發(fā)的發(fā)生嗎？（自發(fā)——沒(méi)有任何外界的影響和幫助）

注意語(yǔ)言表述的準(zhǔn)確性，大家討論一下。

（學(xué)生分組討論）

師：所有的這些現(xiàn)象有何共同特征？

（都是不可逆的）

<過(guò)渡>既然在不同的現(xiàn)象背后存在著一個(gè)共同特征，那么就有可能存在著一個(gè)普遍的客觀規(guī)律。事實(shí)上，許多科學(xué)家已經(jīng)從不同的角度分別進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了熱力學(xué)第二定律。

<熱力學(xué)第二定律之克勞修斯表述>

德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1850年提出：熱量不能自發(fā)的從低溫物體傳到高溫物體。

請(qǐng)問(wèn)同學(xué)們：

1.克勞修斯的這個(gè)表述是由哪個(gè)生活現(xiàn)象出發(fā)推理得到的？（第①個(gè)）

2.如果雞蛋與水的溫度一樣，還能否發(fā)生熱傳遞？

3.要發(fā)生熱傳遞必須具備什么條件？

4.熱量總是自發(fā)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(dǎo)到高溫物體？（可能，比如電冰箱、空調(diào)等）

討論三：電冰箱的降溫原理

1.電冰箱的內(nèi)部溫度比外部低，為什么還能不斷的把箱內(nèi)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(jī)不消耗電能，熱量還能否從低溫傳到高溫？

（學(xué)生分組討論）

生1：電冰箱工作時(shí)是將熱量從低溫環(huán)境傳到高溫環(huán)境。

生2：只有在電冰箱插上電源后，才能實(shí)現(xiàn)上述熱量傳導(dǎo)過(guò)程。

生3：電冰箱工作時(shí)，消耗了電能。

師：電冰箱工作時(shí)，消耗了電能，電冰箱的工作過(guò)程可以用下面的流程圖來(lái)表示：

<過(guò)渡>克勞修斯從熱傳導(dǎo)出發(fā)，思考得到了熱力學(xué)第二定律的一種表述。那如果我們從第二個(gè)現(xiàn)象出發(fā)，又會(huì)得到怎樣的而結(jié)果呢？

<熱力學(xué)第二定律之開(kāi)爾文表述>

師：足球在草坪上滾動(dòng)最終停下來(lái)，試分析該過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況。

生：足球的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

師：機(jī)械能可以自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，那么內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機(jī)械能？

生1：不能，因?yàn)樯厦娴倪^(guò)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(lèi)比不錯(cuò)。在生活中確實(shí)存在將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的例子——熱機(jī)。（展示flash動(dòng)畫(huà)和內(nèi)燃機(jī)模型）

討論四：熱機(jī)的工作原理

熱機(jī)工作過(guò)程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運(yùn)動(dòng)壓縮混合氣體，點(diǎn)火后混合氣體爆炸，推動(dòng)活塞對(duì)外做功，最后將汽缸中的尾氣排出。該過(guò)程中混合氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

師：以上過(guò)程中，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎？

生3：不能，因?yàn)闄C(jī)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(lái)，機(jī)械能與熱能之間的轉(zhuǎn)化也可以用下面的流程圖來(lái)表示：

（展示幻燈片）

師：熱機(jī)或內(nèi)燃機(jī)就是從高溫?zé)嵩次諢崃縌1，其中對(duì)外做功為W，到低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2。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(kāi)爾文就功與熱的轉(zhuǎn)化提出了熱力學(xué)第二定律的第二種表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其它影響。這就是熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述。

思考：美好的設(shè)想會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？

第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成！

<規(guī)律升華>

1.兩大定律的關(guān)系：

兩個(gè)定律從不同的角度揭示了熱力學(xué)過(guò)程遵從的規(guī)律，既相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)。

熱力學(xué)第一定律指明了我們所擁有的“資本”總量。

熱力學(xué)第二定律則規(guī)定了“資本”運(yùn)營(yíng)的方式和方法。

2.熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)：

一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性！

<鞏固反饋>

1.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的是（ ）

A.電能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能

B.在火力發(fā)電站中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔?/p>

C.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能

D.在熱傳導(dǎo)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(guò)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(kuò)散過(guò)程具有方向性

D.一切形式的能量轉(zhuǎn)化都具有方向性

<課外拓展>

1.第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成。但是，歷史上有關(guān)永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)還是很有趣的。課下，你能了解一下嗎？

2.熱力學(xué)第二定律告訴我們與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，從分子運(yùn)動(dòng)的微觀角度如何理解呢？