3.4 热力学第二定律 教学设计-2024-2025学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册

第3章 热力学定律 第4节 热力学第二定律 1、 教学内容分析 《热力学第二定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修3模块中热力学定律主题下的内容。课程标准的要求为：通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。《普通高中物理课程标准(2017年)版解读》对课程标准的阐释为：本条目要求学生通过自然界中宏观过程方向性的具体实例，了解热力学第二定律的两种表述，知道热力学第二定律的微观解释。从实例的分析中体会热力学第定律的意义，即应用热力学第二定律可以推断某个过程是否可能自发进行，以及在什么条件下可以进行。学生要知道第二类永动机不可能制成，能够分析第二类永动机不可能制成的原因。让学生对比第一类永动机和第二类永动机不可能制成的原因，进一步体会热力学第二定律所揭示的自然界宏观物理过程方向性的规律。要能够体会到热力学第二定律与能量守恒定律一样，是自然界中任何自然过程都应该遵循的规律。 要求学生初步了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。通过了解能源、环境以及可持续发展等，了解熵在生产、生活、环境、能源等社会问题中的应用。 2、 学情分析 学生已经学习了热力学第一定律（能量守恒定律），对热现象和能量转化有初步认识。对宏观过程的方向性和不可逆性通过生活中现象有定性了解，但缺乏系统理解，尤其是对熵的概念较为陌生。高二学生抽象思维能力较强，能够理解统计规律和微观解释，但对“自发过程”“不可逆性”等抽象概念可能需要借助具体实例来加深理解。此外，学生对生活中的热现象（如冰箱工作原理、能量耗散）有感性认识，但缺乏理论联系实际的能力。 3、 教学目标 物理观念： 理解热力学第二定律的两种表述，掌握宏观过程的方向性。 初步了解熵的概念及其与系统无序程度的关系。 科学思维： 能够用热力学第二定律分析实际问题（如冰箱、热机等），判断过程是否自发进行。 通过统计观点理解熵增加原理，培养从微观角度解释宏观现象的能力。 科学探究： 通过实验（如气体扩散、能量转化演示）观察不可逆过程，提出相关问题并分析。 讨论第二类永动机不可能制成的原因，对比第一类永动机。 科学态度与责任： 认识能源的有限性和能量品质的降低，树立节能环保意识。 体会热力学第二定律在自然界中的普遍性，培养科学世界观。 4、 教学重难点 教学重点：热力学第二定律的两种表述及其物理意义；宏观过程的方向性和不可逆性。 教学难点：熵的概念及其微观统计解释。 教学方法：讲授法、启发式教学、演示实验法 5、 教学过程 环节1：创设情境，引入新课 情境1：NO2气体扩散现象。 提问：扩散后的NO2气体能否重新回到下方集气瓶中？ 情景2：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会水的温度自发降低而鸡蛋温度上升,生蛋变成了熟蛋. 若发生了，违反能量守恒定律吗？ 教师归纳：涉及热现象的过程有特定的方向性，只能朝着某一特定方向进行.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。一些成语反应出这些现象，例如覆水难收。 环节2：热力学第二定律 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 思考与讨论：电冰箱将热量向外界传递，违反热力学第二定律吗？如何解释？ 学生：不违反。冰箱将热量从冰箱内(低温物体)传递到高温物体(冰箱外部)，这个过程需要消耗电能，不是自发进行的。 教师讲解：“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体。当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。 开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响。 “不可能从单一热库吸收热量”，意思是：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 教师讲解：热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，W<Q。热机工作时通常会产生漏气热损、散热热损和摩擦热损等热量损失，但如果没有漏气和摩擦，也没有机体热量的损失，燃料产生的热量也不可能完全转化成机械能，工质吸收的热量不会全部变成功。热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能。例如，两个相互接触并做相对运动的物体，由于摩擦而静止下来，它们在这个过程中消耗的机械能可以全部转化为内能；但相反的过程不可能自发进行而不产生其他影响。 思考与讨论：理想气体与单一热源接触做等温膨胀.由于温度不变，气体内能不变。根据热力学第一定律，有Q=-W 即气体吸收的热量全部用来对外界做功.这违反热力学第二定律吗？ 分析：不违反.吸收的热量虽然全部用来对外做功，但产生了其他影响，理想气体体积膨胀。 热力学第二定律的永动机表述：第二类永动机不可能造成. 第二类永动机是指能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器.第二类永动机违反热力学第二定律。 环节3：熵与熵增加原理 问题：箱子分成左、右两部分.为方便分析，假设有4个气体分子，标为A、B、C、D. (1)左侧4个，右侧0个分子，有几种组合方式？ (2)左、右侧各有2个分子，有多少种组合？ (3)左侧3个、右侧1个分子，有几种组合方式？ (4)左侧0个，右侧4个分子，有几种组合方式？ 分析： 宏观态即系统的热力学状态，用状态参量描述； 微观态指大量分子系统的力学运动状态(位置和速度).一个宏观态一般对应大量微观态. 等概率原理:每一种微观态出现的概率相等. 宏观态对应的微观态数目少，称宏观态有序；对应的微观态数目很多，称宏观态无序. 热力学系统自发进行的过程，总是由概率小的状态向概率大的状态进行. 微观状态数越多，熵值越大.熵是系统分子运动无序性的量度. 熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小. 自发进行的过程沿熵值增大的方向进行.系统的平衡态是熵取最大值的状态. 6、 板书设计 §3.4 热力学第二定律 一、宏观过程的方向性 实例：扩散、热传递、摩擦生热 二、热力学第二定律 克劳修斯表述：热量不能自发从低温→高温 开尔文表述：内能不能全部变成功 三、熵与熵增加原理 熵：系统无序程度的量度 孤立系统：熵永不减少 7、 教学反思 本节课通过实验和实例分析，帮助学生理解抽象的热力学第二定律，效果较好。但在熵的概念教学中，部分学生对微观统计解释感到困难，需在后续课程中结合更多生活实例（如房间整理、信息熵）强化理解。此外，可增加跨学科联系（如环境科学中的熵增问题），拓展学生视野。整体上，学生能初步运用第二定律分析实际问题，但需加强逻辑表达能力的训练。 4 1 学科网（北京）股份有限公司 $$