104《熱力學(xué)第二定律》教案(新人教版選修3-3)

1、10.4 熱力學(xué)第二定律【教學(xué)目的】1、了解某些熱學(xué)過(guò)程的方向性2、了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，為什么第二類永動(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5、知道什么是熱力學(xué)第三定律【教學(xué)重點(diǎn)】1、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，定律的兩種不同表述2、知道什么是第二類永動(dòng)機(jī)，以及它不能制成的原因【教學(xué)難點(diǎn)】熱力學(xué)第二定律的物理實(shí)質(zhì)【教具】擴(kuò)散裝置【教學(xué)過(guò)程】、引入學(xué)生答問(wèn)：1、熱力學(xué)第一定律的形式假設(shè)何，符號(hào)法那么怎樣2、什么是第一類永動(dòng)機(jī)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

2、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)程的方向性人們認(rèn)識(shí)問(wèn)題，總是先有素材，再有思索，然后才有理論的總結(jié)與上升。我們先看這樣的事實(shí)：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)象稱之為熱傳導(dǎo)的方向性在看另一個(gè)事實(shí)：表述教材P85圖11-12的物理情形人們也做過(guò)理論上的預(yù)測(cè)：擴(kuò)散既然是分子無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)引起，那么，原來(lái)A容器中的氣體分子恰好全部回到A容器是可能的，只是這種幾率非常非常小，以至于在現(xiàn)實(shí)中還從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)這說(shuō)明

3、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)能的增量一局部轉(zhuǎn)移到物體和地面，另一局部轉(zhuǎn)移到了空中通常稱之為耗散，我們要把這局部?jī)?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認(rèn)的。甚至人們還嘗試過(guò)，即便能夠把這局部?jī)?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

4、量轉(zhuǎn)化裝置?？茖W(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 = Q1Q2。可不可以不設(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= = 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

5、表達(dá)。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為克勞修斯表述。與之對(duì)應(yīng)的，先前的一種表述被稱為開爾文表述。毫無(wú)疑問(wèn)，這是為了紀(jì)念這兩位科學(xué)家在該領(lǐng)域研究的突出奉獻(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)定量研究說(shuō)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“損人利己的創(chuàng)造這就是所謂的“其它變化

6、。關(guān)于開爾文表述，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)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。前面我們已經(jīng)知道，第一類永動(dòng)機(jī)違背的是熱力學(xué)第一定律。那么，與之對(duì)應(yīng)的，第二類永動(dòng)機(jī)那么是違背了熱力學(xué)第二定律。*熱力學(xué)第二定律所展示的熱學(xué)過(guò)程的方向性，在大學(xué)里面有一種定量的描述：那就是熱學(xué)過(guò)程總是往熵H增大的方向開展，熵H的物理定義，我們這里不便介紹，一個(gè)通俗理解是：熵是事物開展的混亂程度。除了在物理學(xué)方面具有重要意義之外，目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)第二定律在社會(huì)學(xué)、哲學(xué)方面的正確性，十年前，就有一本美國(guó)人的書給我的印象特別深，叫做 熵，一種新的世界觀 ，它用熱力學(xué)第二定律論證全球化經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題，得到了人們廣泛的認(rèn)同。下面我們介紹其它的相關(guān)知識(shí)三、熱力學(xué)第三定律及其它前面已經(jīng)介紹了：絕對(duì)零度不可到達(dá)，我們把它成為熱力學(xué)第三定律。有第一、第二、第三定律，其實(shí)還有第零定律在熱學(xué)過(guò)程中，有一些能量被環(huán)境吸收，無(wú)法繼續(xù)回收，我們成為能量的耗散。關(guān)于能量耗散現(xiàn)象、結(jié)合熱學(xué)過(guò)程的方向性，怎樣解釋能源與環(huán)境的問(wèn)題，會(huì)在下一節(jié)詳細(xì)介紹。四、小結(jié)本節(jié)我們知道了熱學(xué)過(guò)程的方向性，并知道了由此總結(jié)出來(lái)的熱力學(xué)第二定律，最后介紹了一些相關(guān)概念。熱力學(xué)第二定律有兩種表述，它們都是等效的，定律的實(shí)質(zhì)怎樣、精