4. 热力学第二定律（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

第4节 热力学第二定律 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第4节 热力学第二定律 教学 目标 物理观念 建立热力学第二定律的核心概念，能从宏观与微观角度分析热学过程的方向性，理解能量转化与转移的条件和限度，深化对能量守恒定律的补充认知。 科学思维 通过推导与应用热力学第二定律的不同表述（如克劳修斯表述、开尔文表述），提升逻辑推理与模型建构能力，深化“宏观—微观”关联认知，理解熵增原理的物理意义。 科学探究 设计探究实验，分析热机效率与能量耗散的关系，基于数据分析提升从证据推导规律的能力，验证热力学第二定律在实际过程中的体现。 科学态度 与责任 联系生活应用（如能源利用、环境保护），体会理论指导实践的思想，增强社会责任感，树立可持续发展意识，理解能源开发与利用的科学边界。 教学 重难点 1.热力学第二定律的表述及物理意义(重点)。 2.理解宏观热现象的方向性与不可逆性(重点)。 3.理解能量耗散与能源有限性的内在联系(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？ 学生思考问题。 新课讲授 一、热力学第二定律 教师：能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？ 学生：不是。 教师：展示下列过程。 提问：同学们还有类似的例子可以提供给大家展开分析讨论吗？ 学生：（1）轮胎里的压缩气体向外泄漏； （2）一个运动的小球在有摩擦的水平面上逐渐减速停下来； 教师：以上例子说明了这些具有热现象本质的宏观自然过程是不可逆的。 教师：将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？ 学生：铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。 教师：最终会不会水的温度更高，铁块的温度更低? 学生：不会。 教师：这个实验说明什么问题？ 学生：热传递具有方向性。热量会自发地从高温物体传给低温物体，从而使低温物体升温，高温物体温度降低。但热量无法自发地从低温物体传给高温物体。 教师：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这就是热力学第二定律的克劳修斯表述。 教师：将表述换个说法，不改变句意。……是不可能的。……是可能的。 学生：使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化是不可能的。使热量由低温物体传递到高温物体，而引起其他变化是可能的。 教师：电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？ 学生：这个过程并不是自发进行的，而是依赖外界做功，消耗了电能，才引起了其他变化，并没有违背热力学第二定律。 教师：热力学第二定律的克劳修斯表述的实质是热传递过程是不可逆的。 师生：归纳总结 一、热力学第二定律的克劳修斯表述： 1.内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 2.热力学第二定律的克劳修斯表述说明： ①物体间传热过程的方向性 ②自发性：不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。 3、热传导的方向性： （1）热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向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。 （2）要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。 （3）热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。  教师：电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢? 学生：没有。 教师：热机工作时能把燃料燃烧产生的内能转化成机械能，那么，热机工作时有没有可能把内能全部转化成机械能呢？ 学生：有可能吧。 教师：热机工作时处于温度较高的状态，可能完全不对周围环境（冷凝器或大气）散热吗？ 学生：不可能。 教师：热机工作时有机械摩擦吗？会损失能量吗？ 学生：有摩擦，会损失能量。 教师：热机工作时需要把燃烧后的废气排出，排出的废气能不带走热量吗？ 学生：肯定要带走大量热量。 教师：根据前面的分析，可以得出：任何热机都不可能把内能全部转化成机械能。也就是说，不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。 教师：将表述换个说法，不改变句意。…是不可能的。……是可能的。 学生：从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不引起其他变化是不可能的。从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而引起其他变化是可能的。 教师：从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机称为第二类永动机。第二类永动机可能制成吗？为什么? 学生：不可能制成。它违背了热力学第二定律的开尔文表述。 教师：在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。那会不会有这样的现象发生：静止在水平地面上的足球、地面和周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来？ 学生：不可能。 教师：热力学第二定律的开尔文表述实质上就是机械能向内能转化是不可逆的。 师生：归纳总结 2、热力学第二定律的开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 3.热力学第二定律的开尔文表述说明： （1）不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 （2）机械能可以全部转化成内能，但这个过程是不可逆的。 热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的 4.热力学第二定律的实质： 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 5.与热力学第一定律的关系： 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。 【例1】下列过程中可能发生的是 A.某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他影响 B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发跑进去，恢复原状 C.利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高 D.将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开 【解析】根据热力学第二定律，热量自发地全部转化为机械能是不可能的，A错误；气体膨胀具有方向性，不能自发逸出容器又自发跑进去，无法恢复原状，B错误；根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些手段是可以实现的，C正确；扩散现象有方向性，因此液体混合后不能自发地各自分开，D错误。 【例2】(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是 A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化 B.没有冷凝器，只有单一的热库，能从单一热库吸收热量全部用来做功， 而不引起其他变化的热机是可以实现的 C.制冷系统可将冰箱里的热量传到外界较高温度的空气中而不引起其他 变化 D.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 【解析】热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性。机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外界的帮助，因而会引起其他变化，选项A正确，B错误； 热传导过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但要从低温物体传到高温物体，必然会引起其他变化(外界对系统做功)，选项C错误，D正确。 师生：【总结提升】 1.一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、能源是有限的 教师：自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化。各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能··最终都转化成了什么能量？能量最终到哪里去了呢？ 学生：最终都转化成内能，流散到周围的环境中。 教师：既然分散在环境中的内能数量这么巨大，那么能否将这些能量再聚集起来驱动机器做功呢？ 学生：可以，但是要消耗其他能量。因为内能是无法自动聚集起来变成机械能的。 教师：每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。这样的转化过程叫作“能量耗散”。周围环境中的内能与机械能、光能、化学能、电能相比，可利用的品质是升高了还是降低了？ 学生：降低了。 教师：所谓能源，其实是指具有高品质能量的容易利用的储能物质，例如石油、天然气、煤等。周围环境中的内能能叫作能源吗？ 学生：不能。 教师：可见能量与能源是两个不同的概念。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。所以我们要养成保护环境、节约资源、促进可持续发展的良好习惯。 师生：归纳总结 1、能量耗散 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。 2、品质降低 机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。 【例3】(2024·无锡市高二期中)2023年3月15日，世界最高海拔风电场——三峡西藏措美哲古风电场累计发电量突破1亿千瓦时，相当于减排二氧化碳8.32万吨，节约标准煤3.05万吨。该项目于2021年底全面投产发电，总装机22兆瓦，与科研设计中发电量数据测算结果相比，提前2个多月达成“亿目标”。关于能源和能量，下列说法中正确的是 A.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B.对能源的过度消耗会使自然界的能量不断减少，因而存在“能源危机” C.在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了 D.各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 【解析】根据能量守恒定律可知，能量不会被创造，也不会消失，故A错误；对能源的过度消耗不会使自然界的能量不断减少，能量是守恒的，但人类可利用的少了，因而存在“能源危机”，故B错误；在能量转化过程中，虽然能量总量不减少，但品质降低了，故C正确；各种能量在不转化时是守恒的，在转化时也是守恒的，故D错误。 学生思考并回答问题。 课 堂 练 习 1.下列说法正确的是(　　) A. 人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B. 在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 C. 自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D. 能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质提升了 【解析】根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，选项A错误；在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能源的品质在降低，所以还需要节约能源，选项B错误；根据热力学第二定律可知，自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性，选项C正确；能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了，选项D错误。 2.如图所示的汽缸内有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，且不漏气。现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A. 气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律 B. 气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律 C. 气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D. 以上三种说法都不对 【解析】热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述，是不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，气体是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律。 3.把水和酒精混合后，用蒸发的方式又可以分开，然后液化恢复到原来的状态，这说明(　　) A. 扩散现象没有方向 B. 将水和酒精分开时，引起了其他变化，故扩散具有方向性 C. 将水和酒精分开时，并没有引起化学变化，故扩散现象没有方向性 D. 用本题的实验，无法说明扩散现象是否具有方向性 【解析】从题中可明显看出，两者混合时是自动产生的，但两者分离时，要先加热后冷却，也就是说，向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的，因此，可以证明扩散是有方向性的，B正确，A、C、D错误． 4.(多选)关于制冷机制冷过程的说法，正确的是(　　) A. 此过程违反了热力学第二定律 B. 此过程没有违反热力学第二定律 C. 此过程违反了能量守恒定律 D. 此过程没有违反能量守恒定律 【解析】制冷机可以从低温物体吸收热量传给高温物体，但必须消耗电能，热力学第二定律并不否认热量可从低温物体传给高温物体，只是该过程会产生其他影响，A错误，B正确；任何自然和物理过程都不违反能量守恒定律，C错误，D正确． 5.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A. 功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 B. 热力学第二定律的两种表述是等效的 C. 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为功 D. 不可能使热量从低温物体传向高温物体 【解析】热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，根据热力学第二定律可知，功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程，故A正确；热力学第二定律的两种表述是等效的，故B正确；根据热力学第二定律可知，不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不引起其他变化，故C错误；根据热力学第二定律，不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体，但在外界的作用下，能使热量从低温物体传向高温物体，比如电冰箱，故D错误。 课 堂 小 结 板 书 设 计 第4节 热力学第二定律 一、热力学第二定律 1.方向性：一切与热现象有关的宏观自然现象都是不可逆的，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 2.热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这里阐述的是传热的方向性。 3.热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q。 (2)热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。该表述阐述了机械能与内能转化的方向性。 4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 5.热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 6.热力学过程的方向性实例 二、能源是有限的 1.能源：具有高品质的容易利用的储能物质。 2.能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。 3.能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，能源减少了。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 开尔文表述是建立在对热机效率的分析之上的。因此，教学中应关注学生对热机工作原理的理解，并适当引导学生分析热机的内能转化成机械能的效率。但考虑到开尔文表述的事实基础和理论分析对学生来说较难理解，教学中可作简单处理，不宜要求过高。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $