2019-2020年高中物理 《熱力學第二定律》教案 魯科版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理 《熱力學第二定律》教案 魯科版選修3-3 要 點：了解熱傳導過程的方向性 理解第二類永動機不可能的原因 了解熱力學第二定律的不同表達以及實質(zhì) 教學難點：用熱傳導過程的方向性解釋第二類永動機的不可能 考試要求：高考Ⅰ（熱力學第二定律、永動機不可能、絕對零度不可達到），會考 課堂設計：從學生比較熟悉熱傳導過程的方向性入手，從平時很少關注的方向性方式入手研究，調(diào)動學生的思維并為熱力學第二定律作準備。第二類永動機由于沒有違背能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律更具有欺騙性，應立足熱傳導過程的方向性來幫助學生理解。能量的耗散應從能量（守恒）的角度來考察，并保證對生活實例有指導性。 解決難點：先引導關注熱傳導過程的方向性，用來解決第二類永動機的失敗原因，體會盡管沒有違背能量守恒定律但還受到其他因素的制約。 學生現(xiàn)狀：不知道遵守能量守恒定律的機器為什么還是不可能制成； 知道熱傳導的方向性但沒有聯(lián)系實際； 第二類永動機（并不違背能量守恒定律）的欺騙性認識不足。 培養(yǎng)能力：分析綜合能力，理解推理能力 思想教育：唯物主義世界觀，尊重事實 考試說明：新增“熱力學第二定律、永動機不可能、絕對零度不可達到” 一、引入 有這樣有趣的問題：地球上有大量的海水，它的質(zhì)量約為1.41018t,只要這些海水的溫度降低0.1OC,就能放出5.81023J的熱量，這相當于1800萬個功率為100萬千萬的核電站一年的電量，為什么不去研究這種新能源呢？學了本節(jié)課你就可以知道答案了。 二、熱傳導的方向性 問:生活經(jīng)驗肯定告訴過我們，兩個溫度不同的物體互相接觸后，會發(fā)生什么現(xiàn)象？ 分析：熱量會自發(fā)的從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)果使溫度低的物體溫度升高，溫度高的物體溫度降低。 問：有沒有見過，溫度自發(fā)的從低溫物體傳給高溫物體？ 分析：學生可能說“有”，比如說空調(diào)、冰箱。 解釋什么是“自發(fā)地”？ “自發(fā)地”：是沒有任何外界的影響或幫助?？照{(diào)、冰箱需借助外界條件電源，才能夠使熱量從低溫物體傳到高溫物體，它們是“不自發(fā)地”而是“被迫地” ——一旦停電，就又是自發(fā)地由高溫傳向低溫 類似：水（自發(fā)地）往低處流，也可以在有幫助的條件下（被迫地）向高處流。 總結(jié)：熱傳導的過程是有方向行，這個過程可以自發(fā)的從一個方向自發(fā)地進行；但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行，必須借助外界的幫助。自然界中所涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。 三、第二類永動機 大家都已經(jīng)知道，機械能和內(nèi)能之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，比如說一個在水平面上的物體，由于克服摩擦力做功，最后總要停下來。在這個過程中物體的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使物體的溫度升高。而把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，在這轉(zhuǎn)化中能量守恒。依據(jù)理論，內(nèi)能同樣可以轉(zhuǎn)化機械能（動能），所以我們很愿意將汽車的溫度降低來獲得汽車的動能（在夏天那可是一舉兩得的事）。而不引起其他的變化。我們沒有見過這類情況，并不是人們沒想到，而是有困難。回答這個問題之前我們先介紹熱機。 熱機，是將熱（內(nèi)）能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。如內(nèi)燃機、蒸汽機、燃氣輪機（熱電廠）、燃氣渦輪（噴氣飛機）。 以內(nèi)燃機為例：氣體燃燒時產(chǎn)生的熱量Q1,推動活塞做功W，然后放出熱氣，同時把熱量Q2散發(fā)到大氣中。根據(jù)能量守恒Q1=W+Q2,如果我們把熱機做的功W和它從熱源吸收的熱量 Q1的比值叫做熱機的效率，用η表示效率，則有 問：我們也都知道W>Q1,也就是η不可能達到100％，那是為什么？ 分析：熱機構造必須有熱源和冷凝器，工作時，總要向冷凝器散熱，因此要損失熱量。 能不能制造出沒有冷凝器的熱機，只有單一的熱源，它從這個單一熱源中吸收熱量，可以全不用來做功，第二類永動機就是指這類遵守能量守恒定律，從單一熱源不斷獲得能量的機器。 第二類永動機的失敗，說明機械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化有著方向性：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能（肯定引起其他變化）。 所以我們在沒有冷凝器的條件下，無法通過降低海水溫度來獲取我們所需要的能量 四、熱力學第二定律 生活中很多物理過程的具有方向性。比如圖11－2中氣體的擴散，物理學家通過分析自然現(xiàn)象，又總結(jié)了第二類永動機不可制成的經(jīng)驗，得出了熱力學第二定律。常見兩種表述： 表述一：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。 表述二：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。 兩種表述的實質(zhì)是統(tǒng)一的：自然界中進行的涉及的熱現(xiàn)象有關的宏觀過程具有方向性，都是不可逆的。 五、能量耗散 問：既然有能量守恒定律，為什么還要節(jié)約能源呢？ 分析：其實通過前面的學習，我們都可以找到答案了，因為能量的轉(zhuǎn)化具有方向性，某些自發(fā)進行的能量轉(zhuǎn)化后不能再以原值的大小重新轉(zhuǎn)化回來，盡管總量是不變的但可利用的能在減少——能量的耗散（避免說成是損失）。 能量的耗散也從能量轉(zhuǎn)化的角度表明其原因是：從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程是具有方向性的。 六、絕對零度不可達到(8’) 0K＝-273.15℃，T=t+273.15K 值不同但（溫差）度的大小相同 閱表：可通過與攝氏度的換算來體會 溫度高分子運動快，溫度低分子運動慢；到0K（-273.15℃）時分子不再運動，依據(jù)辯證唯物主義觀點，物質(zhì)總是運動的，絕對零度只能接近不能到達——熱力學第三定律