人教版高中物理選擇性必修3第3章第4節熱力學第二定律教學設計

課題熱力學第二定律單元3學科物理年級高二

物理觀念：知道傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化具有方向性，了解能量耗散和品

質降低的內容，能解釋相關現象。

科學思維：理解熱力學第二定律的兩種表述，學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能

量轉化、轉移及方向性問題，提高分析推理能力。

學習

目標科學探究：通過對熱機效率的探討，揭示熱機效率不能達到100%的實質，學會與他人

交流合作，提高探索科學的能力。

科學態度與責任：學會科學家探索問題的方法，實事求是的科學態度，培養學習科學的

興趣。

重點理解熱力學第二定律的兩種表述，學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉

移及方向性問題，提高分析推理能力。

難點理解熱力學第二定律的兩種表述，學會用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉

移及方向性問題，提高分析推理能力。

教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖

導入新課問題：將一塊燒紅的鐵塊投入冷水中，會發生

什么現象？

觀察現

象，描述結果。用小實驗引

發學生思考。引

出本節課的課

鐵塊的溫度降低，水的溫度升高，最終兩者溫

題。

度相同。

思考：將燒紅的鐵塊投入水中，結果會不會鐵

塊溫度更高，水的溫度更低？

講授新課

一、熱傳遞的方向

觀看用動畫演示

flash動畫，總熱傳遞的方向

結現象。性，讓現象更加

直觀。

動畫演示熱傳遞的方向

熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體,從而

使低溫物體升溫，高溫物體溫度降低.。

熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向

一個方向自發地進行，但是向相反的方向卻不能自

發地進行.

要實現相反方向的過程，必須借助外界的幫

助，因而產生其它影響或引起其它變化.

氣體擴散具有方向性

采用動畫和

思考：會不會有這樣的現象：均勻混合的空氣

視頻相結合的方

與溴氣過一段時間會自發地變的界線分明？

觀看動畫式，讓學生更易

（視頻演示氣體的擴散的方向性，輔以動畫演

和視頻。理解。

示）

無數事實告訴我們，凡是實際的過程，只要涉

及熱現象，如物體間的熱傳遞、氣體的膨脹、擴散、理解涉及

有摩擦的機械運動....都有特定的方向性。這些過程到熱現象的過

可以自發地朝某個方向進行，例如，熱由高溫物體程都是不可逆

傳向低溫物體，而相反的過程，即使不違背能量守的。

恒定律，我們也從未見到它們會自發地進行。這就

是說，-切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆

的。

二、熱力學第二定律

一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可了解熱力

逆的.學第二定律的

在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定內容。

律就是熱力學第二定律（secondlawof

thermodynamics).

三、克勞修斯表述

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.

思考：電冰箱的內部溫度比外部溫度低，為什結合克勞利用所學知

么致冷系統還能不斷地把箱內熱量傳給外界的空修斯表述完成識解決生活中的

氣？思考題。實際問題。

電冰箱消耗電能，對制冷系統做功，致冷系統

不斷地把箱內熱量傳給外界的空氣，從而保持冰箱

內部的溫度比外部的低。

總結電冰

箱的工作原

理。

說明：

(1)克勞修斯表述中強調了“在不引起其它的變

化的條件下，熱量不可能自發地從低溫物體傳到高

溫物體.”

(2)如果允許“其它變化”，例如利用致冷機做

功，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，而致冷對克勞修斯

機做功就屬于“其它變化”.表述作出說明，

(3)如果設想克勞修斯表述不成立，即在無任何便于學生更好的

外界做功的情況下，熱量就能從低溫熱源傳向高溫理解熱力學第二

熱源.按此設想就可制成一種無功致冷機，如圖所定律。

示，它無需消耗功就能致冷.克勞修斯表述否定了這

種可能性.

課堂練習1、下列說法中，正確的是()

A．一切形式的能量間的相互轉化都具有方向

性完成課堂

B．熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體練習。

C．氣體的擴散過程具有方向性

D．一切形式的能量間的相互轉化都不具有可

逆性

解析：熱力學第二定律反映的所有與熱現象有

關的宏觀過程都具有方向性，在產生其他影響的情

況下,熱量可以從低溫物體傳給高溫物體.例如冰

箱。

答案：C

四、開爾文表述

觀察熱機

的工作過程，從實際出

熱機的效率問題

總結熱機的效發，帶著實際生

率問題?；钪械膯栴}來學

習新知識。

熱力學第二定律的開爾文表述：

不可能從單一熱庫吸收，使之完全變成功，而

不產生其他影響。

熱力學第二定律的開爾文表述又可以表述為：

第二類永動機是不可能制成的.

說明：

1．在熱力學第二定律的表述中，“自發地”、

“不產生其他影響”的涵義：

(1)“自發地”是指熱量從高溫物體“自發地”

傳給低溫物體的方向性.在傳遞過程中不會對其他

物體產生影響或借助其他物體提供能量等.

(2)“不產生其他影響”的涵義是發生的熱力學完成思考

宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱討論。

力學方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.

思考討論：在水平地面上滾動的足球，摩擦力

做負功，其動能轉化為內能，最終停了下來，同時

產生的熱量散失在周圍的環境中。會不會有這樣的

現象：靜止在水平地面上的足球、地面和周圍的空

氣自發地降低溫度釋放內能，并將釋放出的內能全

部轉化為足球的動能，讓足球又滾動起來？

機械能可以全部轉化為內能，但這個過程是不同學對比，

可逆的.將熱力學讓學生理解其中

2．熱力學第二定律兩種表述的比較的兩種表述進的區別和聯系。

開爾文表述實質說明功變熱過程的不可逆性，行比較，理解

克勞修斯表述則說明熱傳導過程的不可逆性，兩種其中的練習和

表述是等價的,可用反證法證明,差別。

違背開爾文表述一定違背克勞修斯表述：如

果開爾文表述不成立，可制成一個單熱源熱機，將

它同另一個制冷機組成復合機，如圖所示，其總效

果相當于一個無功致冷機，于是克勞修斯表述也就

不成立.

違背克勞修斯表述一定違背開爾文表述:如果

克勞修斯表述不成立，則可制成一個無功致冷機，

將它同另一個熱機組成復合機，如圖所示，就可使

復合機成為一單熱源熱機，即開爾文表述也不成立.

3．熱力學第二定律的實質

熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量

分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界

中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性.

4．與熱力學第一定律的關系

熱力學第一定律是和熱現象有關的物理過程

中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內能

改變的定量關系，而第二定律指出了能量轉化與守

恒能否實現的條件和過程進行的方向，指出了一切

變化過程的自然發展方向不可逆，除非靠外界影響.

所以二者相互獨立，又相互補充.

課堂練習2、根據熱力學第二定律，可知下列完成課堂

說法中正確的有()練習。

A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不

能從低溫物體傳到高溫物體

B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可

能從低溫物體傳到高溫物體

C．機械能可以全部轉化為熱能，但熱能不可

能全部轉化為機械能

D．機械能可以全部轉化為熱能，熱能也可能

全部轉化為機械能

解析：當外界對系統做功時，可以使系統從低

溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去，如冰箱和空

調；機械能可以全部轉化為熱能.外界條件發生變化

時，熱能也可以全部轉化為機械能；如在等溫膨脹

過程中，系統吸收的熱量全部轉化為對外界做的功.

答案：BD

五、能源是有限的

能量在數量上雖然守恒，但其轉移和轉化卻具

有方向性。在取暖照明、耕田犁地、車鉆磨鍛、開

車駕.....各種各樣的活動中，機械能、電能、光能、

聲能、化學能、核能、生物.能....最終都轉化成內能,

流散到周圍的環境中。每天我們使用的能源最后都

轉化成了內能，能源消耗使得周圍環境升溫。根據

熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多

么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，

卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的

轉化過程叫作“能量耗散”。

周圍環境中的內能很難再利用，而機械能、光

能、化學能、電能相對于周圍環境中的內能來說，

可利用的品質要高。所謂能源，其實是指具有高品

質的容易利用的儲能物質，例如石油、天然氣、煤

等。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但

能量的品質下降了。雖然能量總量不會減少，但能

源會逐步減少，因此能源是有限的資源。

課堂練習3、根據熱力學定律和分子動理論，

可知下列說法中正確的是（）完成課堂

A．我們可以利用高科技手段，將流散到周圍練習。

環境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其

它變化

B．利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制

造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能，

這在原理上是可行的

C．分子間的作用力總是隨分子間的距離增大

而減小

D．溫度升高時，物體中每個分子的運動速率

都將增大

拓展提高1、根據熱力學第二定律，下列判斷正確的是完成拓展

（）提高。

A.電流的能不可能全部變為內能

B．在火力發電機中，燃氣的內能不可能全部

變為電能

C．熱機中，燃氣內能不可能全部變為機械能

D．在熱傳導中，熱量不可能自發地從低溫物

體傳遞給高溫度物體．

解析：根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象

有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變

為內能(由電流熱效應中的焦耳定律可知)，而內能

不可能全部變成電流的能．機械能可全部變為內

能，而內能不可能全部變成機械能，在熱傳導中，

熱量只能自發地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不

能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體，所以選項B、

C、D正確．

答案：BCD

2、下列說法正確的是

()

A．機械能全部變成內能是不可能的

B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因

為能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從

一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化成

另一種形式

C．根據熱力學第二定律可知，熱量不可能從

低溫物體傳到高溫物體

D．從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能

的

解析：機械能可通過克服摩擦全部轉化為內

能，第二類永動機沒有違背能量守恒定律，而是違

背了熱力學第二定律，在產生其他影響的情況下，

熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，在產生其他影

響的情況