2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案4 新人教版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案4 新人教版選修3-3 教學(xué)目的： 1、了解某些熱學(xué)過(guò)程的方向性 2、了解什么是第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)，為什么第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成 3、了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，理解熱力學(xué)第二定律的物理實(shí)質(zhì) 4、知道什么是能量耗散 教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，定律的兩種不同表述 教學(xué)難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的物理實(shí)質(zhì) 教學(xué)過(guò)程： 熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律具有相同的實(shí)質(zhì)，表征的是能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量不變。既然能量只是在不停地轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，而不會(huì)消失，我們?yōu)槭裁催€在面臨能源危機(jī)，還在不停地呼吁節(jié)約能源呢？我們今天來(lái)探討一下這個(gè)問(wèn)題—— 一、某些熱學(xué)過(guò)程的方向性 根據(jù)初中學(xué)過(guò)的物理常識(shí)，我們知道熱傳導(dǎo)會(huì)在兩個(gè)有溫差的物體間產(chǎn)生，會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳至低溫物體，那么，熱傳導(dǎo)會(huì)不會(huì)從低溫物體傳至高溫物體呢？不會(huì)。我們把這種現(xiàn)象稱(chēng)之為—— ⒈熱傳導(dǎo)的方向性 在看另一個(gè)事實(shí)：擴(kuò)散既然是分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起，那么，原來(lái)A容器中的氣體分子擴(kuò)散到B容器后，在自發(fā)的分離回到初始狀態(tài)在現(xiàn)實(shí)中還從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)，這是不可能的，這說(shuō)明—— ⒉擴(kuò)散現(xiàn)象有方向性 事實(shí)三：有初速度的物體，在水平面上運(yùn)動(dòng)，總要停下來(lái)，因?yàn)槟Σ辽鸁?，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能；但是，由于內(nèi)能的增量一部分轉(zhuǎn)移到物體和地面，另一部分轉(zhuǎn)移到了空中（通常稱(chēng)之為耗散），我們要把這部分內(nèi)能收集起來(lái)，然后通過(guò)某種機(jī)器或裝置讓它轉(zhuǎn)化成物體重新運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，這可能嗎？答案必然是否定的。甚至人們還嘗試過(guò)，即便能夠把這部分內(nèi)能完全收集（不散失），要使它完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，也是絕對(duì)不可能的。所以，我們說(shuō)，涉及到熱現(xiàn)象的—— ⒊能量轉(zhuǎn)化有方向性 怎樣表征這種熱學(xué)過(guò)程的方向性呢？—— 二、熱力學(xué)第二定律 在介紹熱力學(xué)第二定律之前，先介紹相關(guān)概念—— 熱機(jī)：將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置。它們的主要工作原理都是利用高溫高壓的氣體或蒸汽膨脹做功。如蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。內(nèi)能的來(lái)源有燃料燃燒所放出的內(nèi)能、地?zé)嵋约霸幽埽ㄞD(zhuǎn)化）、太陽(yáng)能（轉(zhuǎn)化）等。熱機(jī)的組成必須具備三個(gè)組成部分。其一是發(fā)熱器，它是使燃料所釋放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ魑镔|(zhì)（簡(jiǎn)稱(chēng)工質(zhì)）內(nèi)能的裝置；其二是工作部分，它是使工質(zhì)消耗內(nèi)能來(lái)做機(jī)械功的裝置；其三是冷凝器，這部分是容納工作部分排出的廢工質(zhì)的裝置。熱機(jī)工作時(shí)，工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量，只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分都傳給了冷凝器。 由于內(nèi)能往機(jī)械能的轉(zhuǎn)化不會(huì)自發(fā)的進(jìn)行，所以熱機(jī)事實(shí)上人為造就的、一種逆自然過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化裝置。 科學(xué)家們對(duì)熱機(jī)的工作進(jìn)行了定量的研究，令工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量為Q1，最后被冷凝器帶走的熱量為Q2（最終耗散到大氣、循環(huán)水中），轉(zhuǎn)變成機(jī)械功的只是W = Q1—Q2 ?？刹豢梢圆辉O(shè)置冷凝器（不帶走Q2），令Q1 = W呢（物理語(yǔ)言叫熱機(jī)的效率η= = 100%）？科學(xué)家們經(jīng)過(guò)了種種努力，發(fā)現(xiàn)這是不可能的。 也就是說(shuō)：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)作功，而不引起其它變化。 這就是熱力學(xué)第二定律。 對(duì)熱機(jī)的定量研究事實(shí)映射出這樣的信息：要將自發(fā)的熱學(xué)過(guò)程人為地逆轉(zhuǎn)，雖然是可能的，但必須付出代價(jià)（也就是所謂的“其它變化”——手段的代價(jià)、能量的代價(jià)）。 所以，我們也可以把熱學(xué)過(guò)程的方向性就看成是是熱力學(xué)第二定律的的一種體現(xiàn)。于是，熱力學(xué)第二定律的一種更樸實(shí)的表述是： 不可能使熱量從低溫物體傳至高溫物體，而引起其它變化。我們通常把這種表述方式稱(chēng)為克勞修斯表述。與之對(duì)應(yīng)的，先前的一種表述被稱(chēng)為開(kāi)爾文表述。毫無(wú)疑問(wèn)，這是為了紀(jì)念這兩位科學(xué)家在該領(lǐng)域研究的突出貢獻(xiàn)與成就。 關(guān)于克勞修斯表述，我們可以通過(guò)這樣一個(gè)事實(shí)理解：通過(guò)人為的努力，電冰箱和空調(diào)實(shí)現(xiàn)了熱量從低溫物體往高溫物體的傳遞，但是，我們付出了手段方面的代價(jià)：購(gòu)置冰箱的經(jīng)濟(jì)代價(jià)、能量方面的代價(jià)（持續(xù)地繳納電費(fèi)），甚至付出了環(huán)境方面的代價(jià)——定量研究表明，冰箱釋放給環(huán)境的熱量必然要多于從冷藏室吸收熱量——和空調(diào)一樣，它能使環(huán)境升溫，是一種“損人利己”的發(fā)明（這就是所謂的“其它變化”）。 關(guān)于開(kāi)爾文表述，一個(gè)反面的素材是：要制成效率為100%的熱機(jī)是不可能的。 人們也把效率為100%的熱機(jī)稱(chēng)為第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。 前面我們已經(jīng)知道，第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)違背的是熱力學(xué)第一定律。那么，與之對(duì)應(yīng)的，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)則是違背了熱力學(xué)第二定律。 在熱學(xué)過(guò)程中，有一些能量被環(huán)境吸收，無(wú)法繼續(xù)回收，我們稱(chēng)為能量的耗散。 閱讀課本，了解能量耗散現(xiàn)象。 作業(yè)布置：閱讀教材