粤教版（2019）选择性必修第三册 3.3热力学第二定律 教案.docx

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1、2022-2023学年粤教版(2019)选择性必修第三册3热力学第二定律教案一.教材分析本节是粤教版选择性必修三第三章的第3节，第三章热力学定 律共三节。第一节阐述了热力学第一定律；第二节研究了能量守 恒及其应用；第三节是研究热力学第二定律。这就使学生对热力学 定律和能量守恒定律有了一定的认识。二.学情分析学生在已经学习热力学第一定律和能量守恒定律，为本节的教学 奠定了一定的基础，学生在具备了一定的分析能力，探究能力和逻辑 思维能力后，可以更好的理解本节的内容。三.教学目标：1 .了解能量转移、能量转化的方向性.了解热力学第二定律的两种表述，并理解两者表述是等价的2 .通过对热力学第二定律的理

2、解，了解能利用的能源是有限的，重视节约能源。四、教学的重点和难点重点：1.理解热力学第二定律克劳修斯的表述2 .理解热力学第二定律开尔文的表述.理解能量转移和转化是有方向性的难点：L 理解克劳修斯的表述和开尔文的表述是等价.理解热力学第二定律克劳修斯的表述3 .理解热力学第二定律开尔文的表述五、教学过程力学第一定律来解释一一通过热传递的方法改变内能。周围的 物体包括空气的热量传递给了冰，使冰的温度升高，达到熔点 后，最后熔化成水。教学 内容教师活动学生活动设计意图新课 引入、 创设 情境观看一下的视频，思考这个视频是否符合生活现象？这个是否水凝固成冰的视频。不是，如果是的话，冰面应 该是水平的

3、。那么这个视频怎样实现的呢？录制冰熔化成水的 视频，然后倒放。(同个视频倒叙播放)冰熔化成水的过程是我们常见的现象，这一过程可以用热放映一遍同一个视频倒序播放一1.激发 兴趣，引 入新课。2.引导 学生回忆 已学的知 识。如果把这一过程倒转过来，并不违背热力学第一定律一一熔 化了水把自己的热量传递给周围的物体，自身温度降低，又结 成了冰。这一过程不违反热力学第一定律或能量守恒，但是， 生活中却从没看到过，因为自然界的过程不是一条规律就能全部决定的。热传递的自发过程是有方向的，热量只会自发地从高温物学生经历热传体传到低温物体，就像刚才的视频：周围物体是高温的，冰是科学探究递的低温的，所以周围物体

4、把热量传递给了冰；而冰却不会继续向过程，培方向周围释放自己的热量使得自己的温度更低。养学生物性生活中有没有热量从低温到高温传递，使得低温的物体温理研究的度更低的例子呢？有，冰箱，现在我们观看一下冰箱的工作过规范意程。dvfl| fiSS怵热板识。| 压弟机(a)低京管道离乐管道 接电冰箱冷藏室的温度比房间里的温度低，如果现在我们把冰箱的设定 温度再调低，冰箱就会把冷藏室里的热量继续抽出，释放到房间里，使 得冷藏的温度更低。但是，这个过程不是自发的进行的，而是有要付出 代价的，这一过程是消耗了电能，电流做了功，不能自发进行。类似的 例子还有空调制冷原理。如果从流量图的角度来看，热量要从低温物体

5、通过制冷机传递给高温物体，那么这个过程需要外界做功，冰箱的话就 是电流做了功。如果我们切断冰箱的电源，经过较长时间后，房间和冰箱哪个温度 高呢？热量自发从高温物体传递到低温物体，自发从房间向冰箱内部传 递，直至两者温度相等，最终是冰箱外的温度都和房间大气的温度一样 高。热量从高温物体到低温物体可以自发进行，但是从低温到高温需要 付出代价。1850年德国物理学家克劳修斯最早提出这一定律，热力学第二定 律：热量不能自动地从低温物体传递到高温物体。或者说，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。就拿上面冰箱的工作过程来说，如果我们把冰箱工作过程中向外界机械 能和 内能 转过放映一遍

6、、同一个视频 倒序播放一 遍一个在水平面上运动的物体，因为克服摩擦力做功的原因，最终会 停下来，是物体和水平面温度升高，物体的机械能转化成了内能。如果 反过来，让生成的内能再全部转化成机械能，物体再运动起来，这个就过程的方向性过程的方向性是第二类永动机的想法。有没有设计这样的永动机呢？有。1881年，美国人约翰嘎姆吉(Johm Gamgee),做成了 “零式发动 机”，卖给美国的军部，机器里面有液体的氨，如果它与海水相互作用的扩散的方向性话，它会吸收海水的热量，吸收海水的热量后，就会变成气体的氨，也就是 氨气，氨气膨胀做功，一旦氨气做功又会液化，变成液态的氨。如果吸收 的热量全部用于做功的话，

7、那么这个循环就可以持续，于是可以不断地从 海水吸热然后做功，这样能源是无限的，但是这个最终没有实现，实际它 的循环一次都没有发生过。因为气体氨没有办法通过对外做功的方式让它 液化，液体氨的这个温度比海水要低。英国物理学家开尔文对这个问题进行研究，并给出了如下表述：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。第二类永动机不违反热力学第一定律，但是不可能成功。因为机械能和内能之间的转化是有方向性的。机械能可以100%转化成内能，但内能转化成机械能的过程呢？例如汽车的发动机是一种热机，是一种内燃机,它可以把高温燃气的内能转化成了机械能，但这个过程也是有条件的:汽车的发动机要向外排

8、放比大气温度高的尾气。发动机工作的过程号两个热源 个是燃气，一个是周围环境；燃气是高温热源，周酬 境是低温热源，发动机的工作过程就是不断把高温热源的内能转化就械能，同时，向低温热源放出热量。热机从高温热源吸收热量,M I-* 74用来做功，一部分向低温热源放出热量，那么从做功效率的角度来讲卜） 做功的部分小于吸收热量的部分，也就是内能没办法全部转化成机械能, 也就是热机效率小于100%。如果从单一热源吸热用来做功也可以，如flash演示的过程,气缸内 的高温气体，对外做了功，减少的热量全部用来做功了，但是其体积却自然界中还存在很多存在方向性的现象，例如自由扩散现象。如图 所示是两个可以相同的容

9、器，容器A中装有气体，容器B是真空，打开阀 门K,容器A中的气体会自发想容器B扩散，最后两个容器都充满压强相 等的气体，这个过程被称为自由膨胀。但气体不会自发地从容器B流回A, 最后使容器B恢复成真空。图3-3-3扩散是有方向的板书拓扑图缸二”板书拓扑图机的图片演 示放映一遍、 同一个视频 倒序播放一 遍以，可以借助抽气机的帮助，也就是产生了其他影响。劳斯开文表是价 克修和尔的述等的热力学第二定律存在很多表述，其中大家自然界中一切与热现象有 关的宏观过程都具有方向性，物理学家分析了大量的自然现象，从不同 的角度考察了不同的宏观过程的方向性确立了热力学第二定律(second law of the

10、rmodynamics) o给出了热力学第二定律的多种表述，其中最 常见就是克劳修斯和开尔文的表述。克劳修斯的表述是从热传递的方向性表述，开尔文的表述是从能量 转化的方向性表述，表面上看两者表述不一样。但是进一步推理发现两 者是等价的，可以相互推导出来。现在我们用反证法来证明两者是等价 的。假设开尔文的表述不成立的，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。假设有这样的机器，它可以从低温热 源吸热使之完全变成功的话，我们利用这个功驱动一个电冰箱，把低温 热源热量放到高温热源去，这样不就实现了热量从低温向高温的自发转 移了吗？假设克劳修斯的表述不成立的话，假设低温热源的热量

11、可以自发地 向高温热源传递的话，那么我们，一部分放到低温热源，一部分做功， 那么这个放到低温热源的热量，让它回到高温热源去，这样的话它可以反证法来分 析两种表述 等价热力 学第 二定 律的 意义热力学第一定律告诉我们能量转化和转移遵循着能量守恒定律，宇 宙中的总能量是一定的，而热力学第二定律告诉我们，能量是守恒了， 但是转化和转移过程具有方向性，可以被我们利用的能量是有限的，因 此我们要节约能源。热力 学第 二定 律的例1:有人设想如图所示的装置(假设活塞与缸壁无摩擦)，并提出“理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀，从而实现百分之百对外 做功”。这引发了同学们的争论:有同学认为是可能实现的，

12、有的同学则认 为不可能,你赞同哪一种观点?为什么？应用活塞I等温*胀博思气体1?1 3-3-2等温膨胀构思困出的是，根据气体实验定律，如果气体进行等温膨胀，即气体温度不变， 体积增大，则气体压强应减小，而从图3-3-2中可知，该气体压强是恒定 的。显然该气体是不可能进行等温膨胀的。事实上，该过程是一个等压 膨胀的过程，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增大，气体吸 收的热量不可能百分之百对外做功。例2：目前，市场上有一种叫“空气能热水器”的产品受到了大家的 热捧，空气能热水器通过空气中的热量来揭高水温，其消耗的电能仅仅 压缩机用来搬运空气所用的能量，据说其“热效率可达300%以上。请你 针

13、对这一产品做一项调查，了解其工作原理，并设计实验方案验证其热 效率可达300%以上”的说法是否属实？wm-r下列说法正确的是（）答疑 A.第二类永动机违背了能量守恒定律B.第二类永动机违背了热力学第二定律C根据能量守恒定律，经过不断的技术改造，热机的效率有可能达到100% D.电冰箱和空调机工作时，热量从低温热源传到高温热源，违背了热力 学第二定律2 .（多选）根据热力学第二定律，下列判断正确的是（）A.电能不可能全部变为内能B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能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3 .在一个密闭隔热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的 门，过一段时间后，房间的温度会如何变化？为什么？冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在绝热的密封舱中，冰箱门打 开，整个房间内的热量应该是不变的，由于整个过程中还有电在做功，产生 焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒可知室内温度升高了，这个也是 执曷触源至II高源不臬白后出行一 臬町知山的心价-