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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