熱力學(xué)第二定律【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1．了解熱傳導(dǎo)過程的方向性。2．了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及這兩種表述的物理實質(zhì)。3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。二、過程與方法培養(yǎng)學(xué)生通過日常生活現(xiàn)象概括物理規(guī)律的能力。三、情感、態(tài)度與價值觀通過熱力學(xué)第二定律的教學(xué)，教育學(xué)生要有效地利用自然界提供的各種能源，必須遵循自然界的規(guī)律。【教學(xué)重難點】熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實質(zhì)?！窘虒W(xué)過程】一、新課導(dǎo)入教師：地球上海水的總質(zhì)量約為1.4×1018t，當(dāng)海水的溫度降低0.1℃，放出多少焦的熱量？假設(shè)每個核電站的功率為100萬千瓦，則這些熱量相當(dāng)于多少個這樣的電站一年的發(fā)電量？得到：這些海水的溫度降低0.1℃，能放出5.8×1023J的熱量，這相當(dāng)于1800萬個功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量。教師：既然海水能放出這么多的能量，為什么人們不去研究這種新能源呢？原來這樣做是不可能的，這涉及到物理學(xué)的一個基本定律，這就是本節(jié)要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第二定律。二、新課教學(xué)（一）熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律的一種表述——克勞修斯表述（熱傳導(dǎo)的方向性）［問］兩個溫度不同的物體互相接觸時，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？［學(xué)生］兩個溫度不同的物體互相接觸時，熱量將從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體溫度降低，低溫物體溫度升高。 ［教師］上述過程中熱量是自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體的，我們所說的“自發(fā)地”指的是沒有任何的外界影響或者幫助。［問］那么，同學(xué)們見過熱量從低溫物體傳給高溫物體的實例嗎？［學(xué)生］電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體。［教師］電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內(nèi)部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會自發(fā)地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高。［總結(jié)］上述實例說明，熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發(fā)地進行，但是向相反方向卻不能自發(fā)地進行，要實現(xiàn)相反方向的過程。必須借助外界的幫助，因而要產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。思考：均勻混合的空氣與溴氣過一段時間會不會自發(fā)地變的界線分明？說明：氣體擴散具有方向性一個在水平地面上運動的物體，由于克服摩擦力做功，最后要停下來。在這個過程中，物體的動能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，使物體和地面的溫度升高。我們能不能看到這樣的現(xiàn)象：一個放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動能，使這個物體運動起來。有人提出這樣一種設(shè)想，發(fā)明一種熱機，用它把物體與地面摩擦所生的熱量都吸收過來并對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，使因摩擦停止運動的物體在地面上重新運動起來，而不引起其它變化。分析一下，可以做到嗎？上述現(xiàn)象的共同特征：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律的一種表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這是德國物理學(xué)家克勞修斯提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。它闡述了熱傳導(dǎo)的方向性。說明：（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會引起其它變化，比如冷機做功。2．熱力學(xué)第二定律的另一種表述――開爾文表述（機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性） ［問］一個在水平地面上運動的物體，撤去外力作用后，為什么會停下來？在這個過程中，能量是如何轉(zhuǎn)化的？［學(xué)生］在水平地面上運動的物體，撤去外力后，由于克服摩擦力做功，所以最后會停下來；在上述過程中，物體的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。［教師］現(xiàn)在，我們假想：發(fā)明一種熱機，用它把物體與地面摩擦所生的熱量都吸收過來，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，使因摩擦停止運動的物體在地面上重新運動起來，而不引起其他變化，這是否可能？［教師總結(jié)］我們得到：實際上，熱機不能把它得到的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，因為熱機必須有熱源和冷凝器，熱機工作時，總要向冷凝器放熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機，沒有摩擦，也沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。［教師］人們把從單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功而不引起其他變化的熱機叫第二類永動機。第二類永動機雖不違背守恒定律，但是也失敗了。第二類永動機不可能制成，表示機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性，也就是說機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律的另一種表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。這是開爾文提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。它闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。說明：（1）不僅要從一個熱庫吸熱，而且一定會向另一個熱庫放熱。（2）機械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個過程是不可逆的。教師：強調(diào)指出，熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價的。3．熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系。熱力學(xué)第一定律和第二定律都自然界中獨立的定律，熱力學(xué)第二定律是第一定律的補充。（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%，說明功可以全部變?yōu)闊幔鵁崃坎荒芡ㄟ^一循環(huán)全部變?yōu)楣?，即機械能和內(nèi)能是有區(qū)別的。（2）第一定律指出了熱功等效和轉(zhuǎn)換關(guān)系，指出任何過程能量必須守恒。第二定律指出的是：并非所有能量守恒過程都能實現(xiàn)，低溫?zé)嵩吹臒崃烤筒荒茏詣拥貍飨蚋邷責(zé)嵩?，揭示了過程進行的方向和條件。 （3）第一定律沒有溫度的概念，第二定律中有了溫度的概念，提出了在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g的問題，提出了不同溫度差下，相同的熱量效果是不一樣的，有必要加以區(qū)分。（二）能源是有限的能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。在各種各樣的活動中，機械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中。學(xué)生舉例說明。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。（三）熵與熵增加原理自然界的很多過程是不可逆的例如，一個容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B為真空。抽取隔板K，A中的氣體就會擴散到B中，最后整個容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個過程顯然是不可逆的。1850年，克勞修斯首次提出熵的概念，熵可用來表達(dá)一個系統(tǒng)的無序程度，系統(tǒng)從有序向無序的發(fā)展過程中熵在增加。在物理學(xué)中，不與外界進行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理?！眷柟叹毩?xí)】1．下列說法正確的是（）A．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式 C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D．從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能的答案：D2．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的（）A．熱機中燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成機械能B．電流的能不可能全部變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體答案：ACD3．下列說法正確的是（）A．在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的B．熱量不可能由高溫物體傳遞給低溫物體C．氣體的擴散過程具有方向性D．一切形式能量轉(zhuǎn)化都不具有方向性答案：AC4．下列說法中可行的是（）①將地球上所有海水的溫度降低0.1℃，以放出大量內(nèi)能供人類使用②制造一種機器，把物體與地面摩擦所產(chǎn)生的熱量全部收集起來再全部加以使用③建造一只可以從海洋中提取熱量的船，把熱量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)④制造一種效率為100％的熱機A．①可行B．①④可行C．②④可行D．①②③④都不可行答案：D5．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的是（）A．不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其它變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其它的變化的熱機是可實現(xiàn)的C．致冷系統(tǒng)能將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中而不引起其它變化D．不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化答案：AD6．根據(jù)熱力學(xué)定律和分子動理論，可知下列說法中正確的是（）A ．我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用而不引起其它變化B．利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，這在原理上是可行的C．分子間的作用力總是隨分子間的距離增大而減小D．溫度升高時，物體中每個分子的運動速率都將增大答案：B7．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可知下列說法中正確的有（）A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，但熱能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能答案：BD8．下列說法中，正確的是（）A．一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都具有方向性B．熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體C．氣體的擴散過程具有方向性D．一切形式的能量間的相互轉(zhuǎn)化都不具有可逆性答案：C