2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案4 新人教版選修3-3.doc
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2019-2020年高中物理《熱力學(xué)第二定律》教案4 新人教版選修3-3 教學(xué)目的: 1、了解某些熱學(xué)過程的方向性 2、了解什么是第二類永動機,為什么第二類永動機不可能制成 3、了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述,理解熱力學(xué)第二定律的物理實質(zhì) 4、知道什么是能量耗散 教學(xué)重點:熱力學(xué)第二定律的實質(zhì),定律的兩種不同表述 教學(xué)難點:熱力學(xué)第二定律的物理實質(zhì) 教學(xué)過程: 熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律具有相同的實質(zhì),表征的是能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中總量不變。既然能量只是在不停地轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化,而不會消失,我們?yōu)槭裁催€在面臨能源危機,還在不停地呼吁節(jié)約能源呢?我們今天來探討一下這個問題—— 一、某些熱學(xué)過程的方向性 根據(jù)初中學(xué)過的物理常識,我們知道熱傳導(dǎo)會在兩個有溫差的物體間產(chǎn)生,會自發(fā)的從高溫物體傳至低溫物體,那么,熱傳導(dǎo)會不會從低溫物體傳至高溫物體呢?不會。我們把這種現(xiàn)象稱之為—— ⒈熱傳導(dǎo)的方向性 在看另一個事實:擴散既然是分子無規(guī)則運動引起,那么,原來A容器中的氣體分子擴散到B容器后,在自發(fā)的分離回到初始狀態(tài)在現(xiàn)實中還從來沒有發(fā)生過,這是不可能的,這說明—— ⒉擴散現(xiàn)象有方向性 事實三:有初速度的物體,在水平面上運動,總要停下來,因為摩擦生熱,機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能;但是,由于內(nèi)能的增量一部分轉(zhuǎn)移到物體和地面,另一部分轉(zhuǎn)移到了空中(通常稱之為耗散),我們要把這部分內(nèi)能收集起來,然后通過某種機器或裝置讓它轉(zhuǎn)化成物體重新運動的機械能,這可能嗎?答案必然是否定的。甚至人們還嘗試過,即便能夠把這部分內(nèi)能完全收集(不散失),要使它完全轉(zhuǎn)化成機械能,也是絕對不可能的。所以,我們說,涉及到熱現(xiàn)象的—— ⒊能量轉(zhuǎn)化有方向性 怎樣表征這種熱學(xué)過程的方向性呢?—— 二、熱力學(xué)第二定律 在介紹熱力學(xué)第二定律之前,先介紹相關(guān)概念—— 熱機:將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置。它們的主要工作原理都是利用高溫高壓的氣體或蒸汽膨脹做功。如蒸汽機、汽輪機、燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機等。內(nèi)能的來源有燃料燃燒所放出的內(nèi)能、地?zé)嵋约霸幽埽ㄞD(zhuǎn)化)、太陽能(轉(zhuǎn)化)等。熱機的組成必須具備三個組成部分。其一是發(fā)熱器,它是使燃料所釋放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ魑镔|(zhì)(簡稱工質(zhì))內(nèi)能的裝置;其二是工作部分,它是使工質(zhì)消耗內(nèi)能來做機械功的裝置;其三是冷凝器,這部分是容納工作部分排出的廢工質(zhì)的裝置。熱機工作時,工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量,只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功,其余部分都傳給了冷凝器。 由于內(nèi)能往機械能的轉(zhuǎn)化不會自發(fā)的進(jìn)行,所以熱機事實上人為造就的、一種逆自然過程的能量轉(zhuǎn)化裝置。 科學(xué)家們對熱機的工作進(jìn)行了定量的研究,令工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量為Q1,最后被冷凝器帶走的熱量為Q2(最終耗散到大氣、循環(huán)水中),轉(zhuǎn)變成機械功的只是W = Q1—Q2 ??刹豢梢圆辉O(shè)置冷凝器(不帶走Q2),令Q1 = W呢(物理語言叫熱機的效率η= = 100%)?科學(xué)家們經(jīng)過了種種努力,發(fā)現(xiàn)這是不可能的。 也就是說:不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來作功,而不引起其它變化。 這就是熱力學(xué)第二定律。 對熱機的定量研究事實映射出這樣的信息:要將自發(fā)的熱學(xué)過程人為地逆轉(zhuǎn),雖然是可能的,但必須付出代價(也就是所謂的“其它變化”——手段的代價、能量的代價)。 所以,我們也可以把熱學(xué)過程的方向性就看成是是熱力學(xué)第二定律的的一種體現(xiàn)。于是,熱力學(xué)第二定律的一種更樸實的表述是: 不可能使熱量從低溫物體傳至高溫物體,而引起其它變化。我們通常把這種表述方式稱為克勞修斯表述。與之對應(yīng)的,先前的一種表述被稱為開爾文表述。毫無疑問,這是為了紀(jì)念這兩位科學(xué)家在該領(lǐng)域研究的突出貢獻(xiàn)與成就。 關(guān)于克勞修斯表述,我們可以通過這樣一個事實理解:通過人為的努力,電冰箱和空調(diào)實現(xiàn)了熱量從低溫物體往高溫物體的傳遞,但是,我們付出了手段方面的代價:購置冰箱的經(jīng)濟代價、能量方面的代價(持續(xù)地繳納電費),甚至付出了環(huán)境方面的代價——定量研究表明,冰箱釋放給環(huán)境的熱量必然要多于從冷藏室吸收熱量——和空調(diào)一樣,它能使環(huán)境升溫,是一種“損人利己”的發(fā)明(這就是所謂的“其它變化”)。 關(guān)于開爾文表述,一個反面的素材是:要制成效率為100%的熱機是不可能的。 人們也把效率為100%的熱機稱為第二類永動機。 前面我們已經(jīng)知道,第一類永動機違背的是熱力學(xué)第一定律。那么,與之對應(yīng)的,第二類永動機則是違背了熱力學(xué)第二定律。 在熱學(xué)過程中,有一些能量被環(huán)境吸收,無法繼續(xù)回收,我們稱為能量的耗散。 閱讀課本,了解能量耗散現(xiàn)象。 作業(yè)布置:閱讀教材- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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