高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 热力学第二定律教案

热力学第二定律

【教学目标】

一、知识与技能

1．了解热传导过程的方向性。

2．了解热力学第二定律的两种不同表述，以及这两种表述的物理实质。

3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。

二、过程与方法

培养学生通过日常生活现象概括物理规律的能力。

三、情感、态度与价值观

通过热力学第二定律的教学，教育学生要有效地利用自然界提供的各种能源，必须遵循自然界的规律。

【教学重难点】

热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。

【教学过程】

一、新课导入

教师：地球上海水的总质量约为1.4×1018t，当海水的温度降低0.1℃，放出多少焦的热量？

假设每个核电站的功率为100万千瓦，则这些热量相当于多少个这样的电站一年的发电量？

得到：这些海水的温度降低0.1℃，能放出5.8×1023J的热量，这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。

教师：既然海水能放出这么多的能量，为什么人们不去研究这种新能源呢？原来这样做是不可能的，这涉及到物理学的一个基本定律，这就是本节要学习的热力学第二定律。

二、新课教学

（一）热力学第二定律

1．热力学第二定律的一种表述——克劳修斯表述（热传导的方向性）

［问］两个温度不同的物体互相接触时，将会出现什么现象？

［学生］两个温度不同的物体互相接触时，热量将从高温物体传给低温物体，使高温物体温度降低，低温物体温度升高。

［教师］上述过程中热量是自发地从高温物体传给低温物体的，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助。

［问］那么，同学们见过热量从低温物体传给高温物体的实例吗？

［学生］电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体。

［教师］电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。

［总结］上述实例说明，热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反方向却不能自发地进行，要实现相反方向的过程。必须借助外界的帮助，因而要产生其他影响或引起其他变化。

思考：均匀混合的空气与溴气过一段时间会不会自发地变的界线分明？

说明：气体扩散具有方向性

一个在水平地面上运动的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。

有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化。

分析一下，可以做到吗？

上述现象的共同特征：

一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。

热力学第二定律的一种表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

这是德国物理学家克劳修斯提出的，称为热力学第二定律的克劳修斯表述。它阐述了热传导的方向性。

说明：

（1）在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。

（2）热量可以从低温物体传到高温物体上，但会引起其它变化，比如冷机做功。

2．热力学第二定律的另一种表述――开尔文表述（机械能与内能转化的方向性）

［问］一个在水平地面上运动的物体，撤去外力作用后，为什么会停下来？在这个过程中，能量是如何转化的？

［学生］在水平地面上运动的物体，撤去外力后，由于克服摩擦力做功，所以最后会停下来；在上述过程中，物体的动能转化为内能。

［教师］现在，我们假想：发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化，这是否可能？

［教师总结］我们得到：实际上，热机不能把它得到的内能转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器中。

［教师］人们把从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机叫第二类永动机。

第二类永动机虽不违背守恒定律，但是也失败了。

第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性，也就是说机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。

热力学第二定律的另一种表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

这是开尔文提出的，称为热力学第二定律的开尔文表述。它阐述了机械能与内能转化的方向性。

说明：

（1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。

（2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。

教师：强调指出，热力学第二定律的两种表述是等价的。

3．热力学第一定律和热力学第二定律的关系。

热力学第一定律和第二定律都自然界中独立的定律，热力学第二定律是第一定律的补充。

（1）第一定律只指出了η不大于100%，而第二定律指出的是η不等于100%，说明功可以全部变为热，而热量不能通过一循环全部变为功，即机械能和内能是有区别的。

（2）第一定律指出了热功等效和转换关系，指出任何过程能量必须守恒。第二定律指出的是：并非所有能量守恒过程都能实现，低温热源的热量就不能自动地传向高温热源，揭示了过程进行的方向和条件。

（3）第一定律没有温度的概念，第二定律中有了温度的概念，提出了在高温热源和低温热源间的问题，提出了不同温度差下，相同的热量效果是不一样的，有必要加以区分。

（二）能源是有限的

能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。

学生举例说明。

根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。

能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

（三）熵与熵增加原理

自然界的很多过程是不可逆的

例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。

1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。

在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。

【巩固练习】

1．下列说法正确的是（    ）

A．机械能全部变成内能是不可能的

B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式

C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体

D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的

答案：D

2．根据热力学第二定律，下列判断正确的（    ）

A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能

B．电流的能不可能全部变成内能

C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能

D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体

答案：ACD

3．下列说法正确的是（    ）

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．一切形式能量转化都不具有方向性

答案：AC

4．下列说法中可行的是（    ）

①将地球上所有海水的温度降低0.1℃，以放出大量内能供人类使用

②制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用

③建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转

④制造一种效率为100％的热机

A．①可行      B．①④可行      C．②④可行      D．①②③④都不可行

答案：D

5．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（    ）

A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化

B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它的变化的热机是可实现的

C．致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化

D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化

答案：AD

6．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法中正确的是（    ）

A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其它变化

B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的

C．分子间的作用力总是随分子间的距离增大而减小

D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大

答案：B

7．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有（    ）

A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体

B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体

C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能

D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能

答案：BD

8．下列说法中，正确的是（   ）

A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性

B．热量不可能由低温物体传给高温物体

C．气体的扩散过程具有方向性

D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性

答案：C