《热力学第二定律的微观解释》 教案

人教版选修3《热力学第二定律的微观解释》说课稿一、引言本章内容属于高中物理学科中的热学部分，主要介绍了热力学第二定律以及其微观解释。

通过对热力学原理的深入理解和学习，可以帮助学生更好地认识热传导、热扩散等热现象，并进一步应用于实际生活与科学研究中。

二、教学目标1.了解热力学第二定律的基本概念；2.掌握热力学第二定律的微观解释；3.能够用微观解释解析热传导、热扩散等热现象；4.培养学生的实验观察和实验设计能力。

三、教学重点1.热力学第二定律的基本概念；2.热力学第二定律的微观解释；3.热传导、热扩散等热现象的微观解释。

四、教学难点1.学生对热力学第二定律的理解深度；2.学生对热传导、热扩散等热现象的微观解释能力。

五、教学准备1.PowerPoint课件；2.实验器材：热导率测量仪、热扩散实验装置等；3.教学辅助工具：计算机、实验记录本；4.学生实验报告模板。

六、教学内容及步骤6.1 热力学第二定律的基本概念（15分钟）6.1.1 热力学第二定律的提出•简要介绍热力学第二定律的历史背景；•归纳总结热力学第二定律的基本内容。

6.1.2 热力学第二定律的重要性•讲解热力学第二定律在热力学体系中的重要地位和作用；•引导学生思考热力学第二定律在实际生活中的应用。

6.2 热力学第二定律的微观解释（30分钟）6.2.1 微观粒子的无序性•介绍微观粒子的无序性概念；•解释微观粒子无序性与热现象的关系。

6.2.2 热力学第二定律的微观解释•详细解释热力学第二定律的微观解释；•通过具体例子让学生理解微观解释的过程。

6.3 热传导、热扩散等热现象的微观解释（30分钟）6.3.1 热传导的微观解释•讲解热传导的基本概念和定义；•解析热传导过程中微观粒子的运动与排列。

6.3.2 热扩散的微观解释•介绍热扩散的概念和特点；•阐述热扩散过程中微观粒子的运动情况。

6.4 实验设计与观察（30分钟）6.4.1 实验设计思路•提供热传导和热扩散实验的背景和目的；•引导学生进行实验设计和方案制定。

《热力学第二定律的微观解释》教学设计教学设计思想：通过观察生活现象，排队、扑克牌的排列等体验活动，感受有序与无序、宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态多→无序，宏观态对应的微观态少→有序。

通过气体向真空中的扩散，以4个气体分子的扩散为例，分析分子扩散后可能的宏观态分布，从统计学的角度说明均匀分布的可能性是最大的。

介绍熵的概念，理解一切自然过程都是熵不减小的过程。

教学目标：1.通过生活实例分析了解有序和无序，宏观态和微观态的概念，理解宏观过程的方向性——从有序到无序。

2.通过气体向真空中的扩散的分析，进一步理解热力学第二定律的微观意义：一切自发的过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。

3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。

4.会用熵增加原理解释生活中的一些现象。

教学重点：1.有序与无序。

2.热力学第二定律的微观意义。

教学难点：熵及熵增加原理。

教学过程设计：一．有序与无序生活实例分析：观察分析有序与无序道路拥堵、阅兵式，学生课间与课上的表现等。

例举生活中的一个有序与无序现象。

体验活动1：请学号20-25 的同学到前面来，排成一队。

（1）按学号排序。

（2）个字高矮排序。

有序：系统的个体按确定的某种规则，有序排列。

无序：个体分布没有确定的要求，怎么分布都可以。

二．宏观态与微观态体验活动2：扑克牌的排序（1）将扑克牌按红桃、黑桃的顺序排列及号码由小到大顺序自左向右排列。

（2）将扑克牌按红桃、黑桃的顺序自左向右排列。

（3）将扑克牌按任意顺序排列。

问题：1.比较3种宏观态（排列方式）的有序程度。

2.观察宏观态的有序程度与什么有关？无序有什么特点？3.哪种宏观态更容易实现？小结：➢宏观态：指符合某种规则的宏观状态。

➢微观态：在规定的宏观态下，所有可能的不同的（微观的）分布状态，叫做这种宏观态的微观态。

➢宏观态对应的微观态多→无序➢宏观态对应的微观态少→有序➢宏观过程的方向性——从有序到无序。

《热力学第二定律的微观解释》讲义在我们深入探讨热力学第二定律的微观解释之前，让我们先简要回顾一下热力学第二定律本身。

热力学第二定律有多种表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述指出：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

开尔文表述则说：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

那么，为什么会有这样的定律存在呢？要理解这背后的原因，我们需要从微观的角度来探究。

首先，我们来了解一下微观世界中的分子运动。

在任何物质中，分子都在不停地做无规则运动。

这种无规则运动的剧烈程度与温度密切相关，温度越高，分子运动就越剧烈。

在一个封闭系统中，分子的运动状态是极其多样的。

假设我们有一个容器，里面被隔板分成了两部分，左边是高温区域，右边是低温区域。

当隔板被抽掉后，高温区域的分子会与低温区域的分子相互碰撞和交换能量。

从概率的角度来看，高温区域分子的平均动能较大，低温区域分子的平均动能较小。

在碰撞过程中，更有可能出现高温区域的分子将能量传递给低温区域的分子，而不是相反。

这就导致了热量从高温区域向低温区域传递，最终使整个系统达到热平衡，温度趋于均匀。

如果要让热量自发地从低温区域传回到高温区域，就相当于要求在大量的分子碰撞中，低温区域分子持续地将更多的能量传递给高温区域分子。

从概率上来说，这种情况几乎是不可能发生的，这也就解释了克劳修斯表述。

再来看开尔文表述。

假设我们有一个单一热源，要从这个热源吸取全部热量并将其完全转化为有用功，不产生其他影响。

从微观角度来看，这意味着要让所有参与能量转化的分子都朝着一个完全有序的方向运动，从而完成有用的功。

然而，由于分子的运动是无规则的，要让它们全部协同一致地朝着一个方向运动，实现完全的有序，几乎是不可能的。

在实际情况中，总会有一些分子的运动方向与期望的方向不一致，导致能量的散失和浪费。

为了更深入地理解，我们引入“熵”这个概念。

熵可以用来描述一个系统的混乱程度或无序程度。

4熱力學第二定律5熱力學第二定律的微觀解釋1．熱傳導的方向性熱傳導的過程可以向一個方向自發地進行(熱量從高溫物體自發地傳給低溫物體)；但向相反的方向不會自發地進行(熱量不會自發地從低溫物體傳給高溫物體)，只有借助外界的幫助才能進行。

①“自發地”過程就是在不受外來干擾的條件下進行的自然過程。

②熱量可以自發地從高溫物體傳向低溫物體，卻不能自發地從低溫物體傳向高溫物體。

③要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或幫助”，就是要由外界對其做功才能完成。

電冰箱、空調就是例子。

【例1】兩個溫度不同的物體接觸時，熱量會自發地從高溫物體傳向低溫物體，直到兩者溫度相等；一個溫度處處相等的物體，不可能自發地變得一部分溫度高、另一部分溫度低。

怎樣從分子熱運動的角度解釋熱傳遞的方向性？解析：兩個物體溫度不同，分子熱運動的平均動能不同，一個物體分子平均動能大，另一個物體分子平均動能小，總體來看，分子熱運動的分佈較為有序，能量適當集中，而熱量由高溫物體傳到低溫物體的過程中，能量變得分散和退降，分子熱運動的分佈較為無序。

由於一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。

所以熱傳遞是由高溫物體傳向低溫物體的，即熱傳遞具有方向性。

答案：見解析點技巧：熱現象的方向性自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。

無論是有生命的或是無生命的，所有的宏觀自發過程都具有單向性，都有一定的方向性，都是不可逆過程。

如河水向下流，重物向下落，山嶽被侵蝕，人的一生從嬰兒到老年到死亡等。

2．第二類永動機(1)定義：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變為有用的功而不引起其他變化的熱機。

(2)第二類永動機不可能製成，因為儘管機械能可以全部轉化為內能，但內能卻不能全部轉化成機械能而不引起其他變化。

釋疑點：第一類永動機和第二類永動機的比較它們都不可能製成，第一類永動機的設想違反了能量守恆定律；第二類永動機的設想雖不違反能量守恆定律，但違背了跟熱現象相聯繫的宏觀自然過程具有方向性的規律。

《热力学第二定律的微观解释》讲义一、热力学第二定律的表述在深入探讨热力学第二定律的微观解释之前，让我们先来回顾一下热力学第二定律的常见表述。

克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

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产生其他影响。

这两种表述虽然形式不同，但都揭示了自然界中热现象的方向性和不可逆性。

二、热力学系统与微观状态要理解热力学第二定律的微观解释，首先要了解热力学系统和微观状态的概念。

热力学系统是我们所研究的对象，它可以是一定量的气体、液体或固体。

而微观状态则是指系统中每个微观粒子的具体位置和动量。

例如，对于一定量的气体，微观状态就包括每个气体分子的位置和速度。

三、无序程度与熵熵是热力学中一个重要的概念，它可以用来描述系统的无序程度。

想象一个房间，起初物品摆放整齐有序，这是一种低熵的状态。

随着时间的推移，物品变得杂乱无章，这就是高熵的状态。

在热力学中，熵的增加意味着系统的无序程度增加。

从微观角度来看，熵与系统可能的微观状态数有关。

微观状态数越多，熵就越大。

四、热力学第二定律的微观本质为什么热现象具有方向性和不可逆性呢？从微观角度可以这样理解。

当一个系统处于非平衡态时，分子的分布是不均匀的，存在着一定的有序性。

随着时间的推移，分子之间不断发生碰撞和相互作用。

由于分子运动的随机性，系统会逐渐趋向于更加均匀的分布，也就是无序程度增加。

例如，将冷热水混合，冷水分子和热水分子会相互碰撞、交换能量，最终达到温度均匀的状态。

这个过程是自发的，而且不可逆。

从微观状态数的角度来看，均匀分布的微观状态数远远多于不均匀分布的微观状态数。

因此，系统自发地从微观状态数少的状态（有序）向微观状态数多的状态（无序）转变，这就导致了熵的增加。

五、概率与热力学第二定律在微观世界中，分子的运动是基于概率的。

比如，一个分子更有可能出现在空间中的多个位置，而不是局限于某一个特定的位置。

当系统中的分子数量众多时，基于概率的结果就表现为宏观上的确定性规律。

热力学第二定律的微观解释一、学习目标1、形成宏观态与微观态观念、有序和无序观念等，能用其解释自然现象和解决实际问题。

2、具有建构从有序状态向无序状态过渡；从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡的模型意识和能力；能运用科学思维方法，对相关问题进行科学推理。

3、具有科学探究意识，能游戏中发现问题、解决问题，形成结论。

4、正确认识熵增加原理的本质，了解它所涉及的其他领域。

二、教学流程复习提问热力学第二定律两种表述情景引入学生活动1：——学生思考：观看“”视频说明一切事物的发展都具有方向性，这和热力学第二定律有怎样的联系，如何解释学生通过上述活动，初步形成自然界中事物的发展都具有方向性的观点，并提出需要深入探究的核心问题：为什么具有方向性怎样解释探究过程活动1——游戏环节每位同学同时抛4枚硬币共抛10次记录每次实验结果，然后小组长汇总，最后表格统计结果。

与理论推导结果进行比较。

活动2——类比归纳以气体自由膨胀不可逆性来说明抽出隔板后，4个分子在容器中可能的分布图示。

形成宏观态和微观态观念活动3——建构模型两个孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡。

引导学生建构模型：从有序状态向无序状态过渡；从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。

活动4——全班交流形成有序和无序观念，引导学生归纳推理热力学第二定律的微观意义。

活动5——全班交流形成熵观念，引导学生归纳推理熵增加原理课堂小结宏观态与微观态有序和无序热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行熵增加原理:在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少当堂检测1、下列说法正确的是（）A．热力学第二定律只在一定前提条件下才能成立B．热力学第二定律揭示了一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行C．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性D．热力学第二定律揭示了有大量分子参与宏观过程的方向性2、从热力学第二定律微观角度看（）A．热力学第二定律是一个统计规律B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大课后作业1、访问一个有搜索功能的网站，键入“熵”，看看人们是怎样使用这个名词的。

热力学第二定律的微观解说新课标要求（一）知识与技术认识热力学第二定律的微观意义。

（二）过程与方法经过对微观状态和宏观状态的剖析，理解熵的意义。

（三）感情、态度与价值观经过对热力学第二定律微观意义的研究，激发学习物理的动力。

教课要点热力学第二定律的微观意义。

教课难点对熵和熵增添原理的理解。

教课方法讲练法、剖析概括法、阅读法教课器具：投影仪、投电影教课过程（一）引入新课教师：（复习发问）用投电影出示以下问题1．什么是热传导的方向性？2．机械能和内能之间互相转变的方向性指的是什么？3．什么是第二类永动机？为何第二类永动机不行能制成？4．热力学第二定律的两种表述方式是什么？学生思虑回答后，教师指出：系统的宏观表现源于构成系统的微观粒子的统计规律。

本节课就要从微观的角度说明为何波及热运动的宏观过程会有必定的方向性。

（二）进行新课1．有序和无序宏观态与微观态教师：先指引学生阅读教材相关内容，以“扑克牌”为例，领会“有序”和“无序”的含义，进而进一步领会“宏观态”和“微观态”的含义。

教师：（解说）当我们以系统的分子数散布而不划分详细的分子来描绘的系统状态叫热力学系统的宏观态；假如使用分子数散布并且划分详细的分子来描绘的系统状态叫热力学系统的微观态。

在热力学系统中，因为存在大批粒子的无规则热运动，任一时辰各个粒子处于何种运动状态完整部是有时的，并且又都随时间无规则地变化。

系统中各个粒子运动状态的每一种散布，都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大批的，在随意时辰系统随机地处于此中随意一个微观态。

下边我们以上图所示的状况为例来进一步加以说明。

假定容器中体积相等的A、B 两室内拥有 a、b、c、d 一共 4 个全同的分子，它们在 A、 B 两室内的散布状况共有 16 种方式。

详细散布以下：（0，4）1（0，abcd）4（ l ，3）［（a，bcd），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］（2，2）（cd，ab）］（3，l ）64［（ ab，cd ），（ ac，bd），（ad， bc），（ bc，ad），（bd，ac），［（ bcd，a），（acd，b），（ abd，c），（abc， d）］（4，0）1（abcd，0）上边的散布表达中，如（2，2）表示一个宏观态（即A、B 两室内各有 2 个分子但不划分详细分子）而（ab，cd）表示一个微观态（ a 和 b 分子在 A 室内，c 和d 分子在 B 室内）由上表可清楚地看出，不一样的宏观态包括着不一样数目的微观态，此中以A、 B 两室各有 2 个分子的宏观态包括的微观态数目最多（ 6 个）而以 4 个分子所有散布在 A 室或所有散布在 B 室的宏观态所包括的微观态数目最少（都是 1 个）。

五、热力学第二定律的微观解释［要点导学］1．我们已经知道，系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律．本节就是从微观的角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性．2．有序与无序是相对的．对应于要求较高的宏观态下的微观态的个数，对应于要求较低的宏观态下的微观态的个数．对应于微观态个数较少的宏观态比对应于微观态个数较多的宏观态显得．（填“有序”或“无序”）如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较的．3．根据课本上四个气体分子向真空扩散的例子可得，“左2右2”这种宏观上看来均匀分布的情况，所对应的微观态的个数，“左0右4”、“左4右0”这种极端不均匀的宏观态所对应的微观态的个数．“左2右2”是一种更为无序的状态，这也与我们日常的感觉一致，即无序指一种“平均”“各处都一样”“没有差别”．4．热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．自发过程总是从有序向着无序发展的．5．一个宏观状态对应的微观状态的多少是个很重要的物理量，它标志着这个宏观态的无序程度，从中还可以推知系统将朝什么方向变化．物理学中用字母Ω表示该物理量．6．玻耳兹曼在1887年提出了熵Ｓ与微观态的数目Ω的关系，即Ｓ∝lnΩ，后来普朗克把它写成Ｓ＝klnΩ，式中k叫做玻耳兹曼常数．熵Ｓ是系统内分子运动的量度．7．用熵的概念表示的热力学第二定律是，我们把热力学第二定律也叫做熵增加原理．8．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展．9．熵增加原理、不可逆过程与自然界和社会是相关联的．任何事情都是自发地变得糟糕（无序或叫熵增加）．例如：小孩的房间倾向于脏乱，不会倾向于整洁；头发总会自发地变得脏，变得蓬乱；人老了皮肤会变皱，花会枯萎，山会风化等等，这些都反映的是一种不可逆．同时热力学第二定律也告诉我们，要获得（有序）就必须付出（能量）．例如要让学习一塌糊涂（无序），非常容易，若要让学习成绩不断提高（有序），需要付出努力（能量）．要使小孩的房间保持整洁，就必须经常整理．要保持头发柔顺、飘逸，就必须经常护理．［范例精析］例１两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体，直到两者温度相等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变得一部分温度高、另一部分温度低．请从熵增加原理角度解释热传递的这种方向性．解析我们知道温度是物体分子热运动的平均动能的标志，也就是说，温度高就表示物体分子热运动的平均动能大．两个温度不同的物体接触时，两个物体所在处的分子平均动能是不一样的，也就是这样的宏观态相对于分子平均动能处处相等的宏观态来说是有序的．根据熵增加原理，宏观过程总是向无序度更大的方向发展，最后就会变成分子的平均动能处处相等．也即温度相等．分子在碰撞过程中传递热量，因此热量会自发地从高温物体传向低温物体，直到两者温度相等．同样地，一个温度处处相等的物体，其各处的分子平均动能都是相等的，这样的宏观态相对于一部分分子平均动能大另一部分分子平均动能小的宏观态来说是无序的，根据熵增加原理知，这不可能自发地进行．拓展自然界的一切宏观过程都是自发地向着“平均”“各处都一样”“没有差别”这个方向发展．如果要倒过来，则必须要引起其它变化．例2成语“覆水难收”指的是一盆水泼出后是不可能再回到盆中的．请从不同宏观态所对应的微观态数目不同这个角度，解释为什么水不会自发地聚到盆中．解析一盆水构成一定形状的水体，水分子在这水体中的活动空间受到一定限制．把这盆水泼出去，水分子可以到达许多不同的位置，而且水分子到达不同位置的机会几乎相等，这样的宏观态下的微观态的数目远远大于整盆水这一宏观态下的微观态的数目．根据熵增加原理可知“覆水难收”的道理．拓展对这类问题的分析要从分子动理论的角度出发，比较各个宏观态下的微观态情况．例3．试分析说明气体自由膨胀的不可逆性和功热转换过程的不可逆性．先分析气体的自由膨胀．在膨胀过程中，原来被封闭在容器左侧的分子在抽掉隔板后的一瞬间仍聚集在左侧．对于左、右两侧这一整体来讲，这显然是一种高度有序的分布．自由膨胀后，气体系统就变得更加无序了．因此，气体的自由膨胀过程是沿着无序性增大的方向进行的．再看看功热转换和热传导的情形．功变热是机械能转变为内能的过程．从微观上看，机械能是大量分子有序运动的能量，而内能则是分子作无序运动时所具有的能量，所以功变热是分子的有序运动转化为无序运动的过程．相反的过程，即分子的无序运动转化为有序运动，不可能发生．这就表明，功热转换过程是沿着无序性增大的方向进行的．两者均是向着无序性增大的方向进行．。

选修3-3 10.5热力学第二定律的微观解释10.6 能源和可持续发展学案（学案）设计人：刘瑞军审核人：武根深序号：55班级＿＿＿＿组名＿＿＿＿姓名＿＿＿＿时间＿＿＿＿学习目标：1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。

2.了解热力学第二定律的微观意义。

3.了解熵的概念，知道随着条件的变化，熵是变化的。

4.理解能量耗散和品质降低的概念，能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。

5.了解常规能源的使用带来的环境污染学习导航：（一）热力学第二定律的微观解释：1.有序和无序有序：。

无序：。

2.热力学第二定律的微观意义：。

3.熵和系统内能一样都是一个函数，仅由系统的状态决定。

从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。

一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。

在自然过程中，系统的熵是增加的。

熵增加原理的内容：。

从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。

（二）能源和持续发展：1.能量耗散：。

2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。

能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。

3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。

常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等。

巩固练习：1．下列哪些物理过程具有方向性A．热传导过程B．机械能和内能的转化过程C．气体的扩散过程D．气体向真空中膨胀的过程2．下列说法正确的是A．有序与无序是相对的B．对任何一件事物，如果规定得越多，限制得越多，它的无序性就越大C．有序性越大，说明它对应的微观态数目就越多D．有序性越大，说明它对应的微观态数目就越少3．下列说法中正确的是（）A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B．一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D．一切物理过程都不可能自发地进行4．下列说法中正确的是A．气体向真空中扩散时，气体分子变成均匀分布的可能性最大B．我们所说的有序状态，指的是对应着较多微观态的那样的宏观态C．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行D．熵越大，表示宏观态所对应的微观态数目越少5．一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？6．保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化？7．试分析说明气体自由膨胀的不可逆性和功热转换过程的不可逆性．8.未来的理想能源必须满足以下四个条件：第一，必须足够丰富，可以保证___________ ；第二，必须足够____________，保证多数人用得起；第三，相关技术必须成熟，可以保证_________使用；第四，必须足够____________、_________，可以保证不会严重影响环境。