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2019-2020年高中物理 《熱力學(xué)第二定律》教案 魯科版選修3-3 要 點(diǎn)：了解熱傳導(dǎo)過(guò)程的方向性 理解第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能的原因 了解熱力學(xué)第二定律的不同表達(dá)以及實(shí)質(zhì) 教學(xué)難點(diǎn)：用熱傳導(dǎo)過(guò)程的方向性解釋第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的不可能 考試要求：高考Ⅰ（熱力學(xué)第二定律、永動(dòng)機(jī)不可能、絕對(duì)零度不可達(dá)到），會(huì)考 課堂設(shè)計(jì)：從學(xué)生比較熟悉熱傳導(dǎo)過(guò)程的方向性入手，從平時(shí)很少關(guān)注的方向性方式入手研究，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維并為熱力學(xué)第二定律作準(zhǔn)備。第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有違背能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律更具有欺騙性，應(yīng)立足熱傳導(dǎo)過(guò)程的方向性來(lái)幫助學(xué)生理解。能量的耗散應(yīng)從能量（守恒）的角度來(lái)考察，并保證對(duì)生活實(shí)例有指導(dǎo)性。 解決難點(diǎn)：先引導(dǎo)關(guān)注熱傳導(dǎo)過(guò)程的方向性，用來(lái)解決第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的失敗原因，體會(huì)盡管沒(méi)有違背能量守恒定律但還受到其他因素的制約。 學(xué)生現(xiàn)狀：不知道遵守能量守恒定律的機(jī)器為什么還是不可能制成； 知道熱傳導(dǎo)的方向性但沒(méi)有聯(lián)系實(shí)際； 第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)（并不違背能量守恒定律）的欺騙性認(rèn)識(shí)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(guān)，尊重事實(shí) 考試說(shuō)明：新增“熱力學(xué)第二定律、永動(dòng)機(jī)不可能、絕對(duì)零度不可達(dá)到” 一、引入 有這樣有趣的問(wèn)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(dāng)于1800萬(wàn)個(gè)功率為100萬(wàn)千萬(wàn)的核電站一年的電量，為什么不去研究這種新能源呢？學(xué)了本節(jié)課你就可以知道答案了。 二、熱傳導(dǎo)的方向性 問(wèn):生活經(jīng)驗(yàn)肯定告訴過(guò)我們，兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸后，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？ 分析：熱量會(huì)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(wèn)：有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，溫度自發(fā)的從低溫物體傳給高溫物體？ 分析：學(xué)生可能說(shuō)“有”，比如說(shuō)空調(diào)、冰箱。 解釋什么是“自發(fā)地”？ “自發(fā)地”：是沒(méi)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(lèi)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(dǎo)的過(guò)程是有方向行，這個(gè)過(guò)程可以自發(fā)的從一個(gè)方向自發(fā)地進(jìn)行；但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行，必須借助外界的幫助。自然界中所涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程都具有方向性。 三、第二類(lèi)永動(dòng)機(jī) 大家都已經(jīng)知道，機(jī)械能和內(nèi)能之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，比如說(shuō)一個(gè)在水平面上的物體，由于克服摩擦力做功，最后總要停下來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中物體的動(dòng)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(jī)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(jī)械能（動(dòng)能），所以我們很愿意將汽車(chē)的溫度降低來(lái)獲得汽車(chē)的動(dòng)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(méi)有見(jiàn)過(guò)這類(lèi)情況，并不是人們沒(méi)想到，而是有困難?；卮疬@個(gè)問(wèn)題之前我們先介紹熱機(jī)。 熱機(jī)，是將熱（內(nèi)）能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（熱電廠(chǎng)）、燃?xì)鉁u輪（噴氣飛機(jī)）。 以?xún)?nèi)燃機(jī)為例：氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量Q1,推動(dòng)活塞做功W，然后放出熱氣，同時(shí)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(jī)做的功W和它從熱源吸收的熱量 Q1的比值叫做熱機(jī)的效率，用η表示效率，則有 問(wèn)：我們也都知道W>Q1,也就是η不可能達(dá)到100％，那是為什么？ 分析：熱機(jī)構(gòu)造必須有熱源和冷凝器，工作時(shí)，總要向冷凝器散熱，因此要損失熱量。 能不能制造出沒(méi)有冷凝器的熱機(jī)，只有單一的熱源，它從這個(gè)單一熱源中吸收熱量，可以全不用來(lái)做功，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)就是指這類(lèi)遵守能量守恒定律，從單一熱源不斷獲得能量的機(jī)器。 第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的失敗，說(shuō)明機(jī)械能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化有著方向性：機(jī)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(jī)械能（肯定引起其他變化）。 所以我們?cè)跊](méi)有冷凝器的條件下，無(wú)法通過(guò)降低海水溫度來(lái)獲取我們所需要的能量 四、熱力學(xué)第二定律 生活中很多物理過(guò)程的具有方向性。比如圖11－2中氣體的擴(kuò)散，物理學(xué)家通過(guò)分析自然現(xiàn)象，又總結(jié)了第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可制成的經(jīng)驗(yàn)，得出了熱力學(xué)第二定律。常見(jiàn)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(lái)做功，而不引起其他變化。 兩種表述的實(shí)質(zhì)是統(tǒng)一的：自然界中進(jìn)行的涉及的熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀(guān)過(guò)程具有方向性，都是不可逆的。 五、能量耗散 問(wèn)：既然有能量守恒定律，為什么還要節(jié)約能源呢？ 分析：其實(shí)通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們都可以找到答案了，因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)化具有方向性，某些自發(fā)進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化后不能再以原值的大小重新轉(zhuǎn)化回來(lái)，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(shuō)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(guān)過(guò)程是具有方向性的。 六、絕對(duì)零度不可達(dá)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(guò)與攝氏度的換算來(lái)體會(huì) 溫度高分子運(yùn)動(dòng)快，溫度低分子運(yùn)動(dòng)慢；到0K（-273.15℃）時(shí)分子不再運(yùn)動(dòng)，依據(jù)辯證唯物主義觀(guān)點(diǎn)，物質(zhì)總是運(yùn)動(dòng)的，絕對(duì)零度只能接近不能到達(dá)——熱力學(xué)第三定律