第4节 热力学第二定律

第4节 热力学第二定律
一、教材分析
本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一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，时要注意讲清二者的关系。
二、目标
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重要的意义。
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。
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。
三、教学重难点
　 重点：热力学第二定律内容的理解。
难点：热力学第二定律的两种表述的理解。
四、学情分析
学生已经掌握了热力学第一定律，能够说出一些热现象的方向性，如热传递从高温到低温，本节要求学生更加深入的理解热现象的方向性，从现象到本质，具有一定难度。
五、教学方法
思考、讨论、总结发言，多媒体。
六、课前准备
预习学案 阅读课本
七、课时安排 1课时
八、教学过程
（一）预习检查、总结疑惑
（二）情景引入、展示目标
　 师：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：①空气和二氧化氮气体的扩散；②烧红的铁棒浸入水中冷却；③向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞充开；④在草坪上滚动的足球最终停下来；⑤一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。（展示视频）
　　师：这些是我们眼中能看到的现象，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？注意语言表述的准确性，大家相互讨论一下。
（三）合作探究、精讲点拨
1.可逆与不可逆过程
（1）.热传导的方向性
生1：现象①的逆过程是均匀混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变的泾渭分明：上面是空气，下面是二氧化氮。该过程不可能。
　　生2：现象②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③的逆过程是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④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：现象错误！链接无效。的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完整的杯子，并跳回桌面。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：既然在不同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，许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结，提出了热力学第二定律。
(2).说明：
①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。
②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。
③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。
2.热力学第二定律的两种表述
①.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
②.开尔文表述：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。
3.热机
热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。
由能量守恒定律可得：
Q1=W+Q2
我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=
4.第二类永动机
①.设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
②.第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。

典型例题
例1 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？
A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时；
B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；
C.上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时；
D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高；
E.在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变；
F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合；
G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合；
解析：A.发生自由膨胀，则是不可逆的；
B.有摩擦发生，也是不可逆的；
C.是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。
D.这是做功变为热的过程，一定不可逆。
E.此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程。
F.液体的扩散是不可逆过程。
G.有一定温度差的热传导是不可逆过程。
友情提示：注意分析可逆与不可逆满足的条件。
例2 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷能力1.2×104kJ/h，制热能力1.3×104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量。是指标错误还是能量不守恒？
解析：都不是。空调制冷、制热靠压缩机做功，从室内（室外）吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。
友情提示：本题注重考查对热力学第一定律，热力学第二定律的理解。
（四）反思总结、当堂检测
（五）发导学案、布置作业
九、板书设计：
热力学第二定律的两种表述
①.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
②.开尔文表述：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。
十、教学反思
　与热力学第一定律不同的是，热力学第二定律与日常的生活、学习较远，并且热力学第二定律的两种表述实质上是通过大量实例归纳出来的，因此教学过程中利用好学生熟悉的热学现象和曾经接触过的物理模型就非常重要。而课堂中学生积极主动地发表个人的看法，不管是对的，还是错的，都对本课达成教学目标起到的推进作用。教学中利用流程图形象地将能量转化与守恒的特征与转化的方向性特征并重地表示出来，并从多角度描述热力学第二定律，有效地帮助学生建构了比较完整的宏观热学规律体系。

第4节 热力学第二定律学案
一、预习目标
1、了解热力学第二定律的发展简史
2、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成
3、了解热传导的方向性
4、了解热力学第二定律的两种表述方法。
二、预习内容：
1、复习提问
①热力学第一定律的内容是什么？

②第一类永动机为什么没有制成？

③能量守恒定律是怎样表述的？

2、可逆与不可逆过程
（1）.热传导的方向性
热传导的过程可以自发地由 物体向 物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。
(2).说明：
①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。
②热量可以 从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从 物体传向 物体。
③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。
3.热力学第二定律的两种表述
①.克劳修斯表述： ；
②.开尔文表述： 。
4.热机
热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。
由能量守恒定律可得：
Q1=W+Q2
我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=
5.第二类永动机
①.设想：
②.第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有 。
三、提出疑惑

课内探究学案
一、学习目标
　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；
二、学习过程
1.可逆与不可逆过程
2.热力学第二定律的两种表述
3.热机
例 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？
A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时；
B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；
C.上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时；
D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高；
E.在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变；
F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合；
G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合；
解析：A.发生自由膨胀，则是不可逆的；
B.有摩擦发生，也是不可逆的；
C.是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。
D.这是做功变为热的过程，一定不可逆。
E.此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程。
F.液体的扩散是不可逆过程。
G.有一定温度差的热传导是不可逆过程。
友情提示：注意分析可逆与不可逆满足的条件。
三、反思总结

四、当堂检测
1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）
A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能
B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能
C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能
D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）
A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律
B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律
C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律
D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）
A.热机是把内能转化成机械能的装置
B热机是把机械能转化为内能的装置.
C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
4.下列说法中正确的是（ ）
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）
A.热力学第一定律
B.能的转化与守恒定律
C.热力学第二定律
D.上述三个定律
6.热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。
7.设想有这样一种热机，它没有冷凝器，只有第一热源，它从第一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成（填“能”或“不能”）
多维链接
1.自然界中，所有的宏观自发过程都具有单向性
在整个自然界中，无论有生命的或无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等等。
2.电冰箱与空调是让“热”由低温环境传递到高温环境。这是不是自发进行的？说明理由。

课后练习与提高
1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）
A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能
B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能
C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能
D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）
A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律
B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律
C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律
D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）
A.热机是把内能转化成机械能的装置
B热机是把机械能转化为内能的装置.
C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能
4.下列说法中正确的是（ ）
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）
A.热力学第一定律
B.能的转化与守恒定律
C.热力学第二定律
D.上述三个定律
6.热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。
7.设想有这样一种热机，它没有冷凝器，只有第一热源，它从第一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成（填“能”或“不能”）
当堂检测答案：
1、BD 2、C 3、AD 4、AC 5、C 6、高温 低温 低温 高温 方向性
7、第二类永动机 不能

课后练习与提高答案
1.解析：由能的转化和守恒定律及能量守恒定律知各种形式的能量之间可以相互转化，但是内能在转化为机械能的过程中，由于内能的各种耗散，内能不会完全转化为机械能。故B、D正确。
答案：B D
2.解析：第二类永动机仍然遵循能量守恒定律，所以不违反热力学第一定律，但能量的转化和转移具有一定的方向性，它违反了热力学第二定律。故选C。
答案：C
3.解析：由热机的定义我们易判断A正确；内燃机在工作时内能的损失有多种途径，所以内燃机不可能把气体的内能全部转化为机械能，D正确。故选A D
答案：A D
4.解析：由热力学第一定律和热力学第二定律易判断A C是正确的。
答案：A C
5.解析：由第二类永动机的特点易判断C是正确的。
答案：C
6.解析：由热传导的特点来进行分析即可。
答案：高温、低温、低温、高温、方向
7.解析：本题考察的是对第二类永动机的理解。
答案：第二类永动机 不能

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