《熱力學第二定律》教學設計

摘要:本文給出了熱力學第二定律的一個教學設計。

關鍵詞:熱力學第二定律;不可逆性;教學設計

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2010)9(S)-0072-4

這節課的內容是人民教育出版社出版的高中《物理》選修3-3教材第十章第五節。

1 教學目的

1.1 知識和技能

(1)能判斷涉及熱現象的宏觀過程是具有方向性的。

(2)知道并理解熱力學第二定律的兩種經典表述。

(3)形成關于宏觀熱現象都具有不可逆性的概念。

(4)認識到熱力學第一定律與熱力學第二定律具有同樣重要的意義。

1.2 過程和方法

分析各種熱學現象的過程，歸納出現象背后的普遍規律——熱力學第二定律。

1.3 情感、態度和價值觀

(1)體會科學發現的曲折性和必然性。

(2)體會熱力學第二定律對于人類實踐的指導意義。

2 教學重點和難點

2.1 重點

熱力學第二定律內容的理解。

2.2 難點

熱力學第二定律的兩種表述的理解。

3 設計思路與教學流程

3.1 設計思路

課程標準對本節內容的要求是:“通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學第二定律。”熱力學第二定律是緊跟在熱力學第一定律之后的一節內容。學生早在初中就知道了能量的轉化與守恒定律，在學完了熱力學第一定律之后，對于能量守恒的認識就更深刻了。因此在此基礎上提出“利用海水降溫釋放的熱量作為新能源”這一設想，讓學生思考、討論進而引入新課。然后再列舉一些自發的熱學現象，歸納出其中共同的特征:過程的不可逆性。接著對其中的熱傳導與功熱轉化兩個過程具體分析，歸納出熱力學第二定律的兩種經典表述:克勞修斯表述和開爾文表述。

熱力學第二定律的實質就是指宏觀自發的涉及熱現象的過程都是不可逆的，任何一類宏觀自發的熱學過程都可以作為熱力學第二定律的表述。本節課的難點在于如何理解熱力學第二定律的兩種表述，特別是開爾文表述。教學中盡可能多地讓學生分析實例，從正、反兩方面幫助學生形成對熱學現象中的過程認識:熱量可以自發地從高溫物體傳到低溫物體;功可以全部轉化為熱;熱量可以從低溫物體傳到高溫物體(但要有條件);熱可以轉化為功(但不完全)。最終認識到熱力學第二定律是與熱力學第一定律并重的一條客觀規律。

3.2 教學流程(圖1)

4 教學實錄

4.1 引入新課

師:我們剛剛學過了熱力學第一定律，即能量的轉化與守恒定律。既然能量的總量是不變的，但為什么還說有能源危機，還要提倡節約能源呢?曾經有這樣一個設想(展示幻燈片)，試圖來解決我們的能源危機。

(幻燈片內容)地球上有大量的海水，它的總質量約為1.4×1018t， 如果這些海水的溫度降低0.1℃，將要放出多少焦耳的熱量?海水的比熱容為c=4.2×103J/(kg#8226;℃)

師:請大家計算一下，上述過程將釋放多少能量?

生:放出5.8×1023J的熱量。

師:這相當于1800萬個大亞灣核電站一年的發電量。(秦山核電站裝機容量為30萬千瓦、大亞灣核電站裝機容量為百萬千瓦)(幻燈片)

師:請大家相互討論一下，該方案可行嗎?

……(學生分組討論)

生1:這個方案可行，因為不違背能量守恒定律。

生2:這個方案不可行，若可行的話，科學家早就將這一想法付諸實踐了。

生3:不同意2的說法。并不是我們能想到的就一定能實現。

……

4.2 提出熱力學第二定律

師:那么這一想法實現的困難是技術上的障礙呢?還是理論上根本不可能?是否還存在一些除了能量轉化與守恒定律之外的一些我們還必須遵循的客觀規律呢?現在讓我們一起來學習本章第五節:熱力學第二定律。

師:首先我們來分析下面這樣一些物理現象:①空氣和二氧化氮氣體的擴散;②燒紅的鐵棒浸入水中冷卻;③向密閉的廣口瓶中充氣，將瓶塞充開;④在草坪上滾動的足球最終停下來;⑤一玻璃杯從桌子邊緣摔在地面上破碎。(展示視頻)

師:這些是我們生活中的現象，大家能否描述一下上述現象的逆過程?并判斷這些逆過程可能實現嗎?大家相互討論一下。

……(學生分組討論)

生1:現象①的逆過程是均勻混合的空氣與二氧化氮氣體過一段時間變得涇渭分明:上面是空氣，下面是二氧化氮。該過程不可能。

生2:現象②的逆過程是浸在水中的鐵棒過一段時間后吸收水的熱量變紅了，而水溫降低了。該過程不可能。

生3:現象③的逆過程是從瓶中沖出去的氣體又自動回到瓶中，瓶中氣體的壓強達到了將瓶塞沖開時的壓強。該過程不可能。

生4:現象④的逆過程是靜止在草坪上的足球自動地吸收草地的熱量轉化為足球的動能，足球滾了起來。該過程不可能。

生5:現象⑤的逆過程是碎在地面上的玻璃杯自動地變成完整的杯子，并跳回桌面。該過程不可能。

師:所有的這些現象有何共同特征?

生:都是不可逆的。

師:既然在不同的現象背后存在著一個共同特征，那么就應該存在著一個普遍的客觀規律。事實上，許多科學家已經從不同的角度分別進行了歸納總結，提出了熱力學第二定律。

4.3 熱傳導過程分析--克勞修斯表述

師:分析諸如②的熱傳導過程，要發生熱傳導必須具備什么條件?

生:要有溫度差。

師:那么自發的熱傳導過程有什么特征?

生:總是從高溫物體向低溫物體傳導。

師:熱量能否從低溫物體傳導到高溫物體?

生1:不能，諸如②中不可能出現鐵棒變紅、水溫降低的現象。

生2:可能的，電冰箱工作時就是將熱量從低溫環境傳導到高溫環境。

師:很好，讓我們一起來分析電冰箱的工作過程。請考慮三個問題:一是電冰箱中熱量傳導的方向性;二是電冰箱中這種熱量傳導有沒有條件?三是分析電冰箱工作時能量轉化情況。請大家相互討論一下。

……(學生分組討論)

生1:電冰箱工作時是將熱量從低溫環境傳到高溫環境;

生2:只有在電冰箱插上電源后，才能實現上述熱量傳導過程;

生3:電冰箱工作時，消耗了電能。

師:電冰箱工作時，消耗了電能，再考慮電冰箱制冷劑在箱內吸收的熱量與在箱外釋放的熱量，該過程中能量守恒嗎?

生4:能量肯定是守恒的，也許釋放到電冰箱外的熱量大于在電冰箱內吸收的熱量。

師:你的說法不錯，諸如過程②和電冰箱的工作過程可以用下面的流程圖來表示:圖 2圖 3

可見，熱量傳導可以從低溫物體到高溫物體。但是斷掉電源的冰箱是不可能制冷的，也就是下面的過程不可能:(圖4)圖 4

師:早在1850年德國物理學家克勞修斯就總結了熱傳導過程的規律，稱之為熱力學第二定律的克勞修斯表述:熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。請大家將這一意思換一種表述方法。

生:也可以說成:熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響。

4.4 功熱轉化過程分析——開爾文表述

師:足球在草坪上滾動最終停下來，試分析該過程中的能量轉化情況。

生:足球的動能轉化為內能。

師:再比如小球從高處落下掉進沙坑，能量的轉化情況怎樣?

生:小球的機械能轉化為內能。

師:機械能可以全部轉化為內能，那么內能能否轉化為機械能?

生1:不能，因為上面的過程是不可逆的。

生2:可以的，熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，但也可以由低溫物體傳到高溫物體。

師:你的類比不錯。這一問題先擱一下，我們再分析兩個實例:一是熱機;二是內燃機。(展示flash動畫)請觀察熱機與內燃機的工作流程，并分析能量轉化的情況。

生1:熱機工作過程中，鍋爐中的水被加熱變成水蒸氣，水蒸氣推動汽缸活塞對外做功，然后排出的尾氣經過冷凝器變成液態水回到鍋爐。該過程中的能量轉化過程是:煤的化學能轉化為水蒸汽的內能，再變為活塞運動的機械能。

生2:內燃機工作過程中，先吸入空氣與汽油的混合氣體，接著活塞向上運動壓縮混合氣體，點火后混合氣體爆炸，推動活塞對外做功，最后將汽缸中的尾氣排出。該過程中混合氣體的內能轉化為機械能。

師:以上兩個過程都存在內能轉化為機械能的現象。請分析這些過程，內能能全部轉化為機械能嗎?

生3:不能，因為機械裝置存在摩擦損耗，要消耗部分能量。

生4:從汽缸中排出的尾氣也會帶走了部分能量。

師:這樣看來，機械能與熱能之間的轉化也可以用下面的流程圖來表示:圖 5圖 6

師:熱機或內燃機就是從高溫熱源吸收熱量Q1，其中對外做功為W，向低溫熱源放出熱量Q2。這一過程是通過工作物質如水蒸氣、汽油和空氣混合氣體的燃燒等來完成，這些工作物質簡稱為工質。即使將摩擦損耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾氣帶走的熱量。在1851年，開爾文就功與熱的轉化指出:不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變為功，而不產生其它影響。這就是熱力學第二定律的開爾文表述。所以熱機、內燃機的效率總有:圖 7η=WQ1<1。即下面的過程是不可能完成的(圖7)。

師:大家能否就開爾文表述換一種說法?

生:不可能有效率為100%的熱機。

師:這種說法更簡潔。事實上，一般汽車的汽油機械效率只有20%～30%，蒸汽輪機的效率比較高，也只能達到60% 。

4.5 熱力學第二定律的實質

師:熱傳導過程與功熱轉化過程的分析，得到了熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述。這兩種表述的共同點是什么?

生:都指明了物理進程的一種方向性。

師:不錯，熱力學第二定律的實質就是指明了自發的宏觀熱現象具有方向性。任何一類宏觀自然進程方向的說明都可以作為熱力學第二定律的表述。請觀察擴散現象、氣體向真空擴散的過程(展示幻燈片)。大家能否結合這些現象給出熱力學第二定律的其他表述呢?

生1:熱力學第二定律也可表述為:擴散過程是不可逆的。

生2:熱力學第二定律也可表述為:氣體向真空中自由膨脹的過程是不可逆的。

師:這些說法都不錯，當然還有其他不同的表述，所有的這些表述都是等價的。請同學們課后相互討論交流。

4.6 回顧與思考

師:現在讓我們來回顧開始提出的設想:能否利用海水降溫的方法獲取有用功?

生1:不行，該過程盡管不違背能量守恒定律，但卻違背了熱力學第二定律。

師:違背了熱力學第二定律中的哪種表述?

生2:違背了開爾文表述。即不可能從海水這單一熱源吸收熱量，使之變為有用功，而不產生其他影響。

師:不錯。但是在沒有發現熱力學第二定律之前，有許多科學家就試圖制造諸如此類的機器，這稱之為第二類永動機。現在看來，第二類永動機也不可能實現。因此開爾文表述也可說成:第二類永動機不可能實現。可見我們不僅要受制于能量的轉化與守恒定律，還要受到能量轉化方向的制約。也可以說熱力學第一定律指明了我們所擁有的“資本”總量;熱力學第二定律則規定了我們“資本”運營的方式和方法。

課后請同學們再利用熱力學定律說明開始的五個視頻的逆過程為什么不能完成，并完成教材后的問題與練習題。

5 教學反思

與熱力學第一定律不同的是，熱力學第二定律與日常的生活、學習較遠，并且熱力學第二定律的兩種表述實質上是通過大量實例歸納出來的，因此教學過程中利用好學生熟悉的熱學現象和曾經接觸過的物理模型就非常重要。課堂中學生積極主動地發表個人的看法，不管是對的，還是錯的，都對本課達成教學目標起到的推進作用。教學中利用流程圖形象地將能量轉化與守恒的特征與轉化的方向性特征并重地表示出來，并從多角度描述熱力學第二定律，有效地幫助學生建構了比較完整的宏觀熱學規律體系。

(欄目編輯張正嚴)