高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-3第十章 热力学定律4 热力学第二定律学案及答案

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-3第十章 热力学定律4 热力学第二定律学案及答案
六 热力学第二定律【教学目标】了解热传导过程的方向。了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。了解热力学第二定律的两种不同的表述以及这两种表述的物理实质。了解什么是能量耗散。知道绝对零度不可能达到。6、指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力【重点、难点分析】重点：1、热力学第二定律两种常见的表述 2、什么是绝对零度，知道它是不可达到的难点：1、热力学第二定律表述的物理实质2、自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性【课时安排】 一课时 【课前准备】教师：投影仪及胶片，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳 学生：课下预习课文，在家观察自家的电冰箱【教学设计】 引入新课我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t , 如果这些海水的温度降低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。学生计算：Q = 4.2×103×1.4×1018×103×0.1 = 5.8×1023J这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢？原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。【板书】 第六节 热力学第二定律【板书】一、热传导的方向性教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在用手摸会出现什么现象？下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗？通过这个实验说明什么问题？学生思考，教师给予启发学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体再让学生列举一些这样的例子例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等教师反问学生：大家是否想过热量为什么不会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？事前我们让大家观察自家的电冰箱，请同学做简要的回答，教师进行点拨。然后，展示电冰箱模型给学生简要讲解。这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。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。学生总结：热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。【板书】二、第二类永动机前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？（违背了能量守恒），什么是第二类永动机呢？学生看书，并思考讨论下列问题：（投影片）1、热机是一种把什么能转化成什么能的装置？ 2、热机的效率能否达到100%？ 3、第二类永动机模型 4、机械能和内能转化的方向性 然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨热机是一种把内能转化成机械能的装置热机的效率不能达到100% 原因分析： 以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中， 由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2 我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用 表示η=W / Q1 实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1>W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，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的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功，而不引起其他变化的机器，称为第二类永动机。第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。为什么第二类永动机不可能制成呢？因为机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化【板书】三、热力学第二定律 再举实例，说明有些物理过程具有方向性 〈学生思考回答，教师引导点拨〉气体的扩散现象书上连通器的小实验　（气体向其中膨胀）【板书】热力学第二定律的两种表述表述一：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（按照热传递的方向性来表述的）表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。（机械能与内能转化具有方向性）这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性） 【板书】四、能量耗散（设疑）既然自然界中的能量是守恒的，为什么还要节约能源呢？因为有的能量可以利用有的能量不便于利用。举例说明：流动的水带动水磨做功　　　　　电池中的化学能转变成电能，电能又在灯泡中转变成光能　　　　　火炉把屋子烧暖等学生总结：流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象，称为能量耗散能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程具有方向性。【板书】五、绝对零度不可达到宇宙中存在着温度的下限：—273.15℃，以这个下限为起点的温度叫做热力学温度，用T，单位是开尔文，符号是K，热力学温度T同摄氏温度t的换算关系是：T = t + 273.15K一些实际的温度值（投影仪显示此表或让学生看书上的表）学生分析此表，并结合课本可以知道，实验室中的低温已经非常接近热力学零度了（也称绝对零度）对大量事实的分析表明：热力学零度不可达到。这个结论称做热力学第三定律。尽管热力学零度不可能达到，但是只要温度不是绝对零度就总有可能降低。因此，热力学第三定律不阻止人们想办法尽可能地接近绝对零度。小结：（教师用投影仪写出框架，学生进行总结）【随堂练习】1、热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及 现象的宏观过程都具有 性，例如机械能可以 转化为内能，但内能 全部转化成机械能，而不引起其他变化。2、热传导的规律为： （ ）A、热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体B、热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体 C、热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体 D、热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体思考题：一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：输入功率1KW，制冷能力1.2×104KJ/h，制热能力1.3×104 KJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢？【教学设计说明】从学生比较熟悉的热传导的方向性入手，研究与分子热运动有关的方向性问题，通过简单的实验，帮助学生理解，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。热力学第一定律和第二定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失。热力学第二定律解决哪些过程可以发生。教学时要注意讲清二者的关系。热机的效率不能达到100%，不可避免地要把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。热力学第二定律的两种表述，一种是按照热传导过程的方向性表述的另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述的。这两种表述是等价的，它们都表明，自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。能量耗散从能量角度揭示一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的。热力学零度是不可达到的，但是只要温度不是绝对零度就总有可能降低。教案设计主要以学生思考讨论总结归纳为主，教师从中引导点拨，要充分调动学生的想象力和参与意识。