1、热力学第二定律【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。【教学用具】多媒体课件、烧杯、钢笔、冰淇淋【教学过程】一、课程引入1、播放录像电冰箱，问：电冰箱
2、的作用是什么？答：把热量从冷藏室转移到冰箱外。那么，在一个封闭的房间里，把正在工作的电冰箱门打开，请问：室内温度有变化吗？升高？不变？降低？想预测这个结论而且能解释它，这就涉及到我们今天学习的内容热力学第二定律。2、复习能的转化和守恒定律, 指出第一类永动机不能制成的原因是因为它违反能量守恒定律。然后提出问题：凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的。那么反过来, 是不是遵守能量守恒定律的过程就可以实现呢? 如果都能实现的话, 就可以实现下面一个例子(课本上P83-84 的例子) 。大家知道, 地球上有很多的海水, 约有1.41018 , 只要让地球上的海水每降低0.1, 由公式Q=cmt就
3、可求出所释放的能量Q=5.81023 J。这个能量相当于地球上1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量, 如果我们拿来利用的话, 我们的能源问题不就可以解决了吗? 为什么我们人类不去开发利用它? 但可以肯定的一点是, 它并没有违反能量守恒定律。事实上是不可能的, 因为它还要遵循另外一条定律热力学第二定律。二、热力学第二定律建立的历史背景19世纪初, 由巴本、纽卡门等人发明的蒸汽机经过许多人特别是瓦特的重大改进, 已广泛应用于工厂、矿山、交通运输, 可以说它给世界工业带来了一场前所未有的巨大革命。但当时人们对蒸汽机的理论研究还是非常缺乏的。可是人们遇到了一个非常实际的问题: 如何提高蒸
4、汽机的效率问题。很多科学家和工业家又在追求热机的高效率甚至百分之百的效率, 也就是把百分之百的内能转化为机械能。可事实证明无论怎样改良热机, 消除额外的能量损失, 都只能把很少一部分的内能转化为机械。实验和理论证明即使在理想状态下使热机工作, 热机的工作效率最高, 但是离百分之百还是差的很远。为什么呢？科学家们经过在这个问题的推动下, 发现了热力学第二定律, 并用它去解决与热现象有关的问题。三、热力学第二定律的发现热力学第二定律并不神秘，在座的各位都可以从身边很多自然过程中发现它。现在就让我们先来观察一个小实验。1、滴一滴墨水到一杯清水里，可以看到墨水的扩散现象。这个现象是自发进行的，我们并没
5、有给予任何帮助；这里“自发”两个字很重要，因为我们完全可以通过各种方式把这滴墨水重新收集在一起，即需要外界对这杯水做功，于是外界发生了变化，产生了影响，这种影响是不可能消除的。板书：墨水的扩散现象：聚合状的墨水分散状的墨水2、请看一根冰淇淋放在空气中，它最后会因为周围相对高温空气传递热量给它而使它慢慢融化。分析：热量会自发的从高温物体传给低温物体，结果使温度低的物体温度升高，温度高的物体温度降低。问：有没有见过，冰淇淋会不会自动把热量传递给周围相对高温的空气呢？最后冰淇淋不会融化反而越来越冰冻呢？能不能把热量从低温冰淇淋传递给高温物体呢？分析：学生可能说“能”，比如说冰箱。解释什么是“自发地”
6、？“自发地”：是没有任何外界的影响或帮助。空调、冰箱需借助外界条件电源，才能够使热量从低温物体传到高温物体，它们是“不自发地”而是“被迫地”，一旦停电，就又是自发地由高温物体传向低温物体。板书：热传导：高温物体低温物体类似：水（自发地）往低处流，也可以在有帮助的条件下（被迫地）向高处流。总结：热传导的过程是有方向性的，这个过程可以自发的从一个方向自发地进行；但是向相反的方向却不能自发地进行，必须借助外界的帮助。自然界中所涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 实例：电冰箱。用示意图表示热传导的方向性，在图2中，Q1=Q2+W。4、一个在水平面上行驶的汽车，关闭油门后，由于克服摩擦力做功，最后总要停
7、下来。在这个过程中，因为摩擦生热，汽车的机械能转化为内能，内能的增量一部分转移到汽车和地面，一部分转移到了空中, 使汽车的温度升高。在这转化中能量守恒，汽车的机械能完全转化为环境的内能。板书：汽车：机械能内能依据能量转化和守恒定律理论，内能同样可以转化机械能中的动能，但是谁会看到这样的现象: 一个停放在水平面上的汽车, 靠降低温度, 可以把释放出来的内能自发地转化为机械能, 使这辆汽车动起来，这在夏天是一件多么美妙的事情。汽车不用耗油，通过降低汽车自身的温度，可以把内能自发地转化为动能，使汽车一面降温一面跑起来，在这转化中能量守恒，没有违反能量转化和守恒定律。我们没有见过这类情况，并不是人们没
8、有想到，而是有困难。回答这个问题之间我们先介绍热机。热机，是将内能转化为机械能的装置。如内燃机、蒸汽机、燃气轮机（热电厂）、燃气涡轮（喷气飞机）。正常热机将从高温热源吸收的部分热量转化为机械能,另一部分传送到低温热源(即冷凝器) ,如图3.该过程可看成人工制冷的逆过程. 以内燃机为例：气体燃烧时产生的热量Q1,推动活塞做功W，然后放出热气，同时把热量Q2散发到大气中。根据能量守恒Q1=W+Q2,如果我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用表示效率，则有问：我们也都知道W Q1,也就是不可能达到100，那是为什么？分析：热机构造必须有热源和冷凝器，工作时，总要向冷凝器散
9、热，因此要损失热量。 若热机的效率提高到 100 %,则 Q1 = W , Q2 =0,如图4,低温热源可以取消,这样的热机叫第二类永动机。能不能制造出没有冷凝器的热机呢？那就变成只有单一的热源，机器从这个单一热源中吸收热量，可以全部用来做功，第二类永动机就是指这类遵守能量守恒定律，没有冷凝器的从单一热源不断获得能量并全部用来做功的机器。如果第二类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着
10、一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。 第二类永动机的失败，说明机械能和内能之间的转化有着方向性：机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能（肯定引起其他变化）。所以我们在没有冷凝器的条件下，无法通过降低海水温度来获取我们所需要的能量。5、其他例子：煤炭燃烧可以放出热量, 而反过来则不可能把放出的热量完全收回再变成煤炭; 生命的孕育、生长、衰老、死亡, 都不可能逆向进行。结论: 自然界中所进行的一切宏观自发的物理过程，无论有生命或无生命都是具有方向性。它的逆过程不能自发地发生。如果要反向进行，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。这也就是热力学第二定律所要
11、告诉我们的结论。四、热力学第二定律既然自然界中所进行的一切宏观自发的物理过程都有相同的特点，我们可以选取任何一个热现象的宏观过程作为描述热力学第二定律的基础, 或者说热力学第二定律有多种表达方式。物理学家分析了大量的自然现象，又总结了第二类永动机不可能制成的经验，把类似的具有方向性的现象进行概括，得到了热力学第二定律。而为了纪念最先几乎同时提出热力学第二定律的两位科学家：克劳修斯和开尔文，我们的课本上就选了他们两人提出的热传导具有单向性和机械能转变成内能具有单向性作为热力学第二定律的表述。让我们记住他们为科学所做出的杰出贡献。表述1、不可能使热量由低温物体传到高温物体而不引起其他变化。（克劳修
12、斯在1850年提出）关于表述1，我们可以通过这样一个事实理解：通过人为的努力，电冰箱和空调实现了热量从低温物体往高温物体的传递，但是，我们付出了手段方面的代价：购置冰箱的经济代价、能量方面的代价（持续地缴纳电费），甚至付出了环境方面的代价：-定量研究表明，冰箱释放给环境的热量必然要多于从冷藏室吸收热量和空调一样，它能使环境升温，是一种“损人利己”的发明（这就是所谓的“其它变化”）。表述2、不可能从单一热源吸收的热量, 可以全部用来做功而不引起其他变化。第二类永动机是不可能制成的。（开尔文在1851年提出）表述3、不可能让水从低处流向高处而不引起其他变化。表述4、不可能让混合气体分离而不引起其他
13、变化。表述5、不可能让气体收缩而不引起其他变化。这些表述表面上虽然彼此无关，但它们有共同的特性，都指出有方向性的自发过程的逆过程必须要引起其他变化。五、热力学第二定律的实质：热力学第二定律发现的意义a.揭示了涉及热现象的宏观过程都具有方向性(或都不可逆).b.揭示了遵循能量守恒的过程不见得是可以实现的过程.c.揭示了热机效率不可能提高到 100 %.d.揭示了必须有高、低温两个热源才能实现内能向机械能的转化.热力学第二定律揭示了自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向的规律，这一过程就是趋向于平衡状态的过程。这对人们认识自然、利用自然有重要的指导意义。不仅仅在物理上存在这种方向性，在其他领域也都
14、存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。除了在物理学方面具有重要意义之外，目前人们已经发现，热力学第二定律在社会学、哲学方面的正确性，十年前，就有一本美国人的书给我的印象特别深，叫做熵，一种新的世界观，它用热力学第二定律论证全球化经济和社会问题，得到了人们广泛的认同。六、能量耗散我们可以用煤炭来取暖，当煤炭烧完之后，能量也就被物体吸收完了，尽管这部分能量还存在，但已无法被利用，便于有效利用的能量变为不便于利用的无效能量的过程，就这样无情地实现了。所以虽然自然界总的能量是守恒的，由于能量的转化具有方向性，某些自发进行的能量转化后不能再以原值的大小重新转化回来，尽管
15、总量是不变的但可利用的能在减少能量在耗散（避免说成是损失）。所以我们还是要节约能源。以内能的形式散失到自然界的能量不能收集起来再加以利用，这种现象叫能量的耗散。七、让学生思考几个问题并讨论：1、热力学第二定律告诉我们一个什么重要问题？意义何在？2、“机械能可完全转化为内能，而内能不可能转化为机械能”这个说法对吗？3、你知道还有哪些变化过程（含非物理过程）不可能自发进行？4、热力学第一定律与热力学第二定律有什么区别吗？5、第一类永动机与第二类永动机有什么区别吗？6、能量耗散是能量损失吗？最后，让学生齐读诗句“君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。”李白这一千古传诵的诗句道出了人们感觉中的时间。时间如流水，一去不复返。它的流逝支配着世世代代人的出生、成长、死亡。谁都曾梦想过留住生命中的美好时光，但却做不到。时间绝不等人，更不会倒流。八、课后作业：阅读熵，一种新的世界观节选，完成课本上对应练习。