《热力学第二定律》教学设计

　　这节课的内容是人民教育出版社2005年版高中《物理》选修3－3教材第十章第五节。

　　【教学目标】

　　一、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。

　　二、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。

　　三、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。

　　【教学重点和难点】

　　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。

　　【设计思路与教学流程】

　　设计思路：

　　本节内容的课程标准是：“通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律，在学完了热力学第一定律之后，对于能量守恒的认识就更深刻了。因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想，让学生思考、讨论而引入新课。然后再列举一些自发的热学现象，归纳出其中共同的特征：过程的不可逆性。然后就其中的热传导与功热转化两个过程具体分析，归纳出热力学第二定律的两种经典表述：克劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的实质就是指宏观自发的涉及热现象的过程都是不可逆的，任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。本节课的难点在于如何理解热力学第二定律的两种表述，特别是开尔文表述。教学中尽可能多地让学生分析实例，再借助于一些多媒体素材（我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画），从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识：热量可以自发地从高温物体传到低温物体；功可以全部转化为热；热量可以从低温物体传到高温物体（但要有条件）；热可以转化为功（但不完全）。最终认识到热力学第二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。

　　教学流程：

　　【教学资源】

　　多媒体课件（包括视频及flash动画）

　　【教学实录】

　　一、引入新课

　　师：我们刚刚学过了热力学第一定律，即能量的转化与守恒定律。既然能量的总量是不变的，但为什么还说有能源危机，还要提倡节约能源呢？曾经有这样一个设想（展示幻灯片），试图来解决我们的能源危机。

　　（幻灯片内容）地球上有大量的海水，它的总质量约为1．4×10¹⁸t，如果这些海水的温度降低0．1^oC，将要放出多少焦耳的热量？海水的比热容为C=4．2×10³J/（kg·℃）

　　师：请大家计算一下，上述过程将释放多少能量？

　　生：放出5．8×10²³J的热量。

　　师：这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。（秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦）（幻灯片）

　　师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗？

　　……（学生分组讨论）

　　生1：这个方案可行，因为不违背能量守恒定律。

　　生2：这个方案不可行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。

　　生3：不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。

　　……

　　二、提出热力学第二定律

　　师：那么这一想法实现的困难是技术上的障碍呢？还是理论上根本不可能？是否还存在一些除了能量的转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律呢？现在让我们一起来学习本章第五节：热力学第二定律。

　　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。

　　……（学生分组讨论）

　　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。

　　三、热传导过程分析──克劳修斯表述

　　师：分析诸如②的热传导过程，要发生热传导必须具备什么条件？

　　生：要有温度差。

　　师：那么自发的热传导过程有什么特征？

　　生：总是从高温物体向低温物体传导。

　　师：热量能否从低温物体传导到高温物体？

　　生1：不能，诸如②中不可能出现铁棒变红、水温降低的现象。

　　生2：可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。

　　师：很好，让我们一起来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题：一是电冰箱中热量传导的方向性；二是电冰箱中这种热量传导有没有条件？三是分析电冰箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。

　　……（学生分组讨论）

　　生1：电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境；

　　生2：只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程；

　　生3：电冰箱工作时，消耗了电能。

　　师：电冰箱工作时，消耗了电能，再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱外释放的热量，该过程中能量守恒吗？

　　生4：能量肯定是守恒的，也许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。

　　师：你的说法不错，诸如过程②和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示：

　　可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱是不可能达到制冷效果的，也就是下面的过程不可能：

　　（展示幻灯片）

　　师：早在1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。

　　生：也可以说成：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。

　　四、功热转化过程分析──开尔文表述

　　师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。

　　生：足球的动能转化为内能。

　　师：再比如小球从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样？

　　生：小球的机械能转化为内能。

　　师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能？

　　生1：不能，因为上面的过程是不可逆的。

　　生2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传到高温物体。

　　师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机；二是内燃机。（展示flash动画）

　　请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。

　　生1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推动汽缸活塞对外做功，然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转化过程是：煤的化学能转化为水蒸汽的内能，再变为活塞运动的机械能。

　　生2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。

　　师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内能全部转化为机械能吗？

　　生3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。

　　生4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。

　　师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：

　　（展示幻灯片）

　　师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q₁，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q₂。这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气混合气体的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转化提出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。所以热机、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不可能完成的：

　　（展示幻灯片）

　　师：大家能否就开尔文表述换一种说法？

　　生：不可能有效率为100%的热机。

　　师：这种说法更简洁。事实上，一般的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% 。

　　五、热力学第二定律的实质

　　师：热传导过程与功热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么？

　　生：都指明了物理进程的一种方向性。

　　师：不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察扩散现象、气体向真空扩散的过程（展示幻灯片）。大家能否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢？

　　生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的。

　　生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。

　　师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论交流。

　　六、回顾与思考

　　师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：能否利用海水降温的方法获取有用功？

　　生1：不行，该过程尽管不违背能量守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

　　师：违背了热力学第二定律中的哪种表述？

　　生2：违背了开尔文表述。即不可能从海水这单一热源吸收热量，使之变为有用功，而不产生其他影响。

　　师：不错。但是在没有发现热力学第二定律之前，有许多科学家就试图制造诸如此类的机器，这称之为第二类永动机。现在看来，第二类永动机也不可能实现。开尔文表述是从功能关系来表述的，因此开尔文表述也可说成：第二类永动机不可能实现。可见我们不仅要受制于能量的转化与守恒定律，还要受到能量转化方向的制约。也可以说热力学第一定律指明了我们所拥有的“资本”总量；热力学第二定律则规定了我们“资本”运营的方式和方法。

　　课后请同学们再利用热力学定律说明开始的五个视频的逆过程为什么不能完成，并完成教材后的问题与练习题。

　　【板书设计】

　　第十章第五节   热力学第二定律

　　【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。