10[1].4《热力学第二定律》学案全集4(人教版选修3-3)

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10.4热力学第二定律

三维目标

知识与技能

1． 了解热力学第二定律，直到热力学第二定律不同的表达方式及其等效性。 2． 能利用热力学第二定律解释一些物理现象 过程与方法

1． 通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。

2． 查阅相关资料，与同学交流讨论热力学第二定律的多种不同表述方式的等效性，阐述

自己的观点。

情感态度与价值

1． 体会热力学第二定律发现的重大意义。

2． 体会制作永动机的失败对科学发展的重要贡献，直到一切违背自然规律的做法都是行

不通的。

重点难点

重难点：热力学第二定律的理解。

从自然现象很多过程的方向性引出与热现象有关的宏观过程都具有方向性，启发引导学生通过交流讨论，发现自然过程的不可逆性，让学生通过分析各种现象，自己总结讨论；以加深理解。自然而然的得出热力学第二定律的内容，然后组织学生学习热力学第二定律发现的历史过程，然后介绍一些物理现象，特别强调是否有外界的影响或帮助。要通过两种现象的分析，讨论两种表述的等效性，对理解能力较好的学生，可以再介绍几种表述，以加深理解。第二类永动机实际上就是热力学第二定律的理解和应用的过程，对热机要从原理的角度组织学生查阅资料，分组讨论的方式进行掌握。

课时建议

1课时

情境设计

自然过程的方向性

现实生活中有很多过程是不可逆的：覆水难收、破镜重圆、钻木取火、水从高处落到低处，不可能自己再返回低处……等等。 问题导引： 还有哪些过程是不可逆的？

点拨提示：(1) 摩擦生热：在一个密闭的、绝热的刚性容器中盛有定量的某种气体，并有一重物升降装置带动的搅拌器置于容器中。重物下降作功，使搅拌器转动，通过搅拌，气体温度升高。这种过程可以自发(无条件)进行，而且过程中功可以百分之百地转变为热。但反过来，让气体降温，使搅拌器反转带动重物上升，却是不可能的。这个实验说明，功可以自发地转变为热，而热不可能自发地转变为功。

(2) 传热过程: 日常生活及工程实践告诉我们，热可以从温度较高的物体自发地、不须付出任何代价地传给温度较低的物体。反之，要使热由低温物体传向高温物体必须付出其他的代价，例如，消耗功可以达到致冷的效果。

(3) 自由膨胀过程：高压气体向真空空间膨胀可以自发进行，因膨胀过程中没有阻力(真空)，过程中气体不作功，因此，此膨胀也称无阻膨胀。但相反的压缩过程不可能自发进行。 （4）混合过程：将一滴墨水滴到一杯清水中，墨水与清水很快就混为一体，或者把两种不同的气体放在一起，两种气体也就混合为混合气体。这都是常见的自发过程，不须任何其他代价，

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只要使两种物质接触在一起就能完成。而相反的分离过程却是不可能自发进行的，如

果要将混合着的液体或气体分离必须以付出其他代价为前提，例如消耗功或热量。

（5）燃烧过程： 燃料燃烧变成燃烧产物(烟气、渣等)只要达到燃烧条件就能自发进行，但将燃烧产物放在一起，若不花代价就无法使其还原成燃料。

（6）电阻热效应：电流通过电阻时，产生热效应。反之，若对电阻加热，不能期望在电阻内产生与加热量等量的电能。

资料备选

家用电冰箱的构造和工作原理

家用电冰箱正在进入千家万户。你知道电冰箱是怎样工作的吗？

以单门电冰箱为例，我们先来了解一下它的主要结构和工作原理。电冰箱由箱体、制冷系统、控制系统和附件构成。在制冷系统中，主要组成有压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管节流器四部分，自成一个封闭的循环系统。其中蒸发器安装在电冰箱内部的上方，其他部件安装在电冰箱的背面。系统里充灌了一种叫“氟里昂12（CF2Cl2，国际符号R12）”的物质作为制冷剂。R12在蒸发器里由低压液体汽化为气体，吸收冰箱内的热量，使箱内温度降低。变成气态的R12被压缩机吸入，靠压缩机做功把它压缩成高温高压的气体，再排入冷凝器。在冷凝器中R12不断向周围空间放热，逐步凝结成液体。这些高压液体必须流经毛细管，节流降压才能缓慢流入蒸发器，维持在蒸发器里

继续不断地汽化，吸热降温。就这样，冰箱利用电能做功，借助制冷剂R12的物态变化，把箱内蒸发器周围的热量搬送到箱后冷凝器里去放出，如此周而复始不断地循环，以达到制冷目的，如图所示。

自主学习与问题发现

阅读与积累 第二类永动机：第二类永动机是______制成的。 问题与思考

问题：热力学第二定律主要说明过程的不可逆性，除课本上讲得过程外你还能举出那些过程是不可逆的？

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可逆过程 不可逆过程 克劳修斯表述：不可能使热量从_______传向低温物体 高温物体 单一热源 有用功 不可能 ________而不引起其它变化。 开尔文表述：不可能从__________吸取热量，使之完全变为_________而不引起其它变化。 可逆和不可逆过程 热力学第二定律 wx.jtyjy.com

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提示：扩散过程是不可逆的，固体的扩散如堆积在墙角的煤扩散到墙上；液体的扩散

如一滴墨水倒在清水中的扩散；气体的扩散如气体向真空中的扩散等等。 另外很多化学变化也是不可逆的。

合作学习与问题探究

难点·疑点·方法

一、什么是可逆过程和不可逆过程？

解答：一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程；如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。

二、热力学第二定律的内容是什么？

解答：克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其它变化。

名师讲析：热力学第二定律使人们认识到：自然界种进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律。

三、第一类永动机和第二类永动机的区别是什么？

解答：第一类永动机是指不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，这类永动机违背了能量守恒定律；第二类永动机是指可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不引起其他变化，这类永动机并不违背能量守恒定律，但是它违背能量转化的方向性，同样也不能制成． 名师讲析：两类永动机都是不可制成的，但两者不能制成的原因不同。第一类永动机不能制成是因为其违背能的转化和守恒定律，第二类永动机并不违背能的转化和守恒定律，但与热力学第二定律相矛盾，既违背与热现象有关的宏观过程不可逆的原则。

新理念典题探究

题型：热力学第二定律的应用

例：（创新题）如图所示，气缸内盛有一定质量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气．现通过活塞杆使活塞缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过对外做功，若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是

A．气体从单一热源吸热，并全部用来对外做功，因此该过程违反热力学第二定律

杆

恒温

B．气体从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，所以该过程违反热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，并全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D．以上三种说法都不对

审题指导：审题注意条件：理想气体、导热、恒温、光滑、等温膨胀；注意考查热力学第二定律需要的问题：是否有外界的影响或帮助等等。

解：根据热力学第一定律，气体等温膨胀时，对外做功，因此从外界环境中吸收热量。好像是违反了热力学第二定律，但是该过程中活塞杆的缓慢向右移动不是自发的进行的，而是要通过力的作用，先使活塞向右移动，然后才能发生吸热的过程，也就是说发生了其它变化。 引申拓展：热力学第二定律指明了做功生热的过程是不可逆的，除非有外界的影响或帮助．分析过程可逆与否以及是否有外界的影响或帮助是解决的关键。

变式备选：电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明

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了

A．热量能自发地从低温物体传给高温物体

B．在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C．热量的传导过程具有方向性

D．热量的传导过程不具有方向性 答案：BC

点拨：电冰箱把热量从低温物体传到高温物体是需要一定的条件，即压缩机消耗一定的电能的条件下才能发生的，所以热量的传导过程是有方向性的。 综合·探究·实践

实践：冰箱制冷循环中的手感试验

根据观察到的各个部分，你能不能用手去触摸它们，凭感觉来判断工作是否正常？实践下来说说看哪处温度最高？哪处最低？

提示：一般讲，压缩机工作时，排气管温度最高，常有刺激性的烫手感。排气管通到的冷凝器入口处，应有烫手感。冷凝器出口的方向，温度应略高于体温，有热感。毛细管也有热感，入冰箱的孔处有温感。从蒸发器出来的回气管，应该有凉感，接近压缩机进气管处，常有结露。最冷处在箱内蒸发器的表面。开箱门观看冷冻室，见蒸发器四壁都给有均匀的一层薄霜，中间弥散着雾状水蒸气，手伸入有冷感。

反思学习与课时测控

【思维误区警示】

过程能否成立的条件是是否引起其他变化，即有无外界的影响或帮助。 例题：根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有

A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能 D．机械能可以全部转化为内能，热量也可能全部转化为机械能

典型误解：本题若不认真推敲，就会错选AC两个选项，原因是它们与热力学第二定律的意义很相近．但是它们都少了一句“而不引起其他变化”，也就是说若引起其他变化或者说在一定条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，热量也可以全部转化为机械能．

走出误区： 热力学第二定律指出和热现象有关的宏观过程是有方向性的，

正确解答：根据热传递规律可知热量不可能自发地从低温物体传到高温物体．但在一定条件下，热量也可以从低温物体传到高温物体，例如电冰箱等就是这样的装置．因此选项B是正确的．

机械能可以全部转化为内能，在一定条件下，热量也可以全部转化为机械能，例如气体的等温膨胀，就是将吸收来的热量全部用来对外做功，但是它引起了一定的变化，那就是气体膨胀了，要使气体回到原来状态，就必须对气体做功．因此选项D是正确的．所以，选项BD正确．

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