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标题 《热力学第二定律》教学设计
范文

    孙建龙

    【中图分类号】G632.4【文献标识码】A

    【文章编号】2095-3089(2018)24-0240-01

    【教学目标】

    一、知识与技能

    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.认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同樣重要的意义。

    二、过程与方法

    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:理解热力学第二定律的两种表述。

    难点:热力学第二定律的两种表述的得出过程。

    教学流程:

    【教学资源】

    多媒体课件(包括视频及flash动画)

    【教学过程】

    <观看视频、引入新课>

    视频:《地球一小时在中国》“地球一小时”由WWF(世界自然基金会)于2007年在澳大利亚发起,2015,是地球一小时来到中国的第七年!对于发展中的中国来讲“熄灯一小时”不只是一个熄灯仪式,更是一种节能环保理念!

    <过渡>哎,同学们,说到这儿,我就有点不明白了——我们刚刚学过了热力学第一定律和能量的转化与守恒定律。能量的总量既然是不变的,为什么还会有能源危机,还要提倡节约能源呢?

    下面让我们一起进入本章第4节热力学第二定律的学习!

    <新课教学>

    讨论一:美好的设想

    曾经,有这样一个设想:(幻灯片内容)

    地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018t,如果这些海水的温度降低1oC,放出的热量就达9×1018kwh,把这些热量全部用来做功,足够全世界使用4000年。

    师:请大家讨论一下,这个方案可行吗?

    ……(学生分组讨论)

    生1:这个方案可行,因为不违背能量守恒定律。

    生2:这个方案不可行,若可行的话,科学家早就将这一想法付诸实践了。

    生3:不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。

    ……

    <过渡>这一想法的实现是技术上的障碍呢?还是理论上根本不可能?要回答这个问题,我们先从生活中的一些现象说起!

    讨论二:生活中的现象

    ①刚煮好的鸡蛋放入冷水中,过一会儿,鸡蛋的温度降低,水的温度升高,最后水和鸡蛋的温度相同。

    ②在平地上滚动的足球最终停下来。

    ③一滴墨水滴进一杯清水中,不久整杯水都均匀的变黑了。

    ④装着压缩气体的钢瓶,打开阀门后,会听到“哧——”一声

    ……

    师:这些是我们能看到的现象,能否描述一下上述现象的逆过程?

    这些逆过程会自发的发生吗?(自发——没有任何外界的影响和帮助)

    注意语言表述的准确性,大家讨论一下。

    (学生分组讨论)

    师:所有的这些现象有何共同特征?

    (都是不可逆的)

    <过渡>既然在不同的现象背后存在着一个共同特征,那么就有可能存在着一个普遍的客观规律。事实上,许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结,提出了热力学第二定律。

    <热力学第二定律之克劳修斯表述>

    德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量不能自发的从低温物体传到高温物体。

    请问同学们:

    1.克劳修斯的这个表述是由哪个生活现象出发推理得到的?(第①个)

    2.如果鸡蛋与水的温度一样,还能否发生热传递?

    3.要发生热传递必须具备什么条件?

    4.热量总是自发的从高温物体传到低温物体吗?

    5.热量能否从低温物体传导到高温物体?(可能,比如电冰箱、空调等)

    讨论三:电冰箱的降温原理

    1.电冰箱的内部温度比外部低,为什么还能不断的把箱内食品的热量传给高温物体(外部空气)?

    2.如果电冰箱的压缩机不消耗电能,热量还能否从低温传到高温?

    (学生分组讨论)

    生1:电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境。

    生2:只有在电冰箱插上电源后,才能实现上述热量传导过程。

    生3:电冰箱工作时,消耗了电能。

    师:电冰箱工作时,消耗了电能,电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示:

    <过渡>克劳修斯从热传导出发,思考得到了热力学第二定律的一种表述。那如果我们从第二个现象出发,又会得到怎样的而结果呢?

    <热力学第二定律之开尔文表述>

    师:足球在草坪上滚动最终停下来,试分析该过程中的能量转化情况。

    生:足球的机械能转化为内能。

    师:机械能可以自发的全部转化为内能,那么内能能否转化为机械能?

    生1:不能,因为上面的过程是不可逆的。

    生2:可以的,热量可以由高温物体传到低温物体,但也可以由低温物体传到高温物体。

    师:你的类比不错。在生活中确实存在将内能转化为机械能的例子——热机。(展示flash动画和内燃机模型)

    讨论四:热机的工作原理

    热机工作过程中,先吸入空气与汽油的混合气体,接着活塞向上运动压缩混合气体,点火后混合气体爆炸,推动活塞对外做功,最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。

    师:以上过程中,内能全部转化为机械能吗?

    生3:不能,因为机械装置存在摩擦损耗,要消耗部分能量。

    生4:从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。

    师:这样看来,机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示:

    (展示幻灯片)

    师:热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q1,其中对外做功为W,到低温热源放出热量Q2。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零,也不可能排除尾气带走的热量。

    在1851年,开尔文就功与热的转化提出了热力学第二定律的第二种表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变为功,而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。

    思考:美好的设想会实现吗?

    第二类永动机不可能制成!

    <规律升华>

    1.两大定律的关系:

    两个定律从不同的角度揭示了热力学过程遵从的规律,既相互独立,又相互补充,共同构成热力学理论的基础。

    热力学第一定律指明了我们所拥有的“资本”总量。

    热力学第二定律则规定了“资本”运营的方式和方法。

    2.热力学第二定律的本质:

    一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性!

    <巩固反馈>

    1.根据热力学第二定律,下列判断正确的是( )

    A.电能不可能全部变为内能

    B.在火力发电站中,燃气的内能不可能全部变为电能

    C.热机中,燃气内能不可能全部变为机械能

    D.在热传导中,热量不可能从低温物体传递给高温物体

    2.下列判断正确的是( )

    A.在自然条件下,热传递的过程是不可逆的

    B.热量不可能由高温物体传递给低温物体

    C.气体的扩散过程具有方向性

    D.一切形式的能量转化都具有方向性

    <课外拓展>

    1.第二类永动机不可能制成。但是,历史上有关永动机的设计还是很有趣的。课下,你能了解一下吗?

    2.热力学第二定律告诉我们与热现象有关的宏观过程都具有方向性,从分子运动的微观角度如何理解呢?

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更新时间:2025/1/5 23:59:17