北京海淀区19-20上学期高二物理教研:《热学》教材教法建议 课件(共132张PPT)
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2019-2020年高中物理《热力学第二定律》教案3 新人教版选修3-3【基础知识精讲】知识框图热力学第一定律是能的转化和守恒在热力学过程的体现,它对自然过程没有条件和方向的限制,只指出在任何力学过程中能量不会有任何增加或损失,而热力学第二定律是独立于热力学第一定律的另一条基本规律,它反映过程进行方向的规律,即解决哪些过程可以发生,要注意理清二者的关系,比如,遵守动量守恒的碰撞结果是多种多样的,但是否可能,尚需受能量规律的制约.一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.自然界中各种不可逆过程都是互相关联的,即由某一过程的不可逆性,可推断另一过程的不可逆性.热力学第二定律的开尔文表述,说明功变热的过程是不可逆的.而克劳修斯表述,指出热传导过程是不可逆的,这两种表述实际上分别挑选了一种典型的不可逆过程,由于各种不可逆过程都是互相关联的,所以每一个不可逆过程都可以选为表述热力学第二定律的基础.学习中注意按教材的编排顺序,先由热传导的方向性、功变热自发性地表现出方向性,而逆过来是不可自发地实现的,所以理解方向性,要把握好“自发地”这个前提,热机的效率不可能达到100%和第二类永动机不可能制成,充分表明机械能和内能的转化过程具有方向性.热力学第二定律又有各种不同表述.例如,“不可能造成第二类永动机”,“热效率为100%的热机是不可能造成的”,“热传导,摩擦产生的热现象是不可逆的”,“不需要由外加功而可操作的致冷机是不可能造成的”,不论何种表述法,我们可以证明其内容彼此相同,其内容不外是主张不可逆变化的存在.能量耗散从能量角度揭示一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的.【重点难点解析】重点理解热力学第二定律的两种表述内容及物理实质.难点第二类永动机与第一类永动机的区别,解释第二类永动机不可能制成.没有能源而“自己”能作功的机器是不可能制成的,但能否设计一种机器依靠冷却海水来做功呢?很容易算出,将海水冷却一度放出的能量,足够人类用几万年,这有着非常诱人的前景.解析根据热力学第二定律,不论什么形式的热机,必须能产生温度差才能做功,即任何一种热机都必须具有“供热装置”和“冷凝器”两部分,例如机车的供热装置是锅炉,而冷凝器就是大气,海水虽然可看作是一个巨大的供热装置,但是为了利用它的能量作功,必须有相应的冷却装置,这种巨大的冷凝器我们是没有办法提供的,所以这种机器我们无法制造.【难题巧解点拨】例热力学第一定律的叙述能否包括热力学第二定律的内容?解析热力学第二定律不是由第一定律推演出来的,而是自然界的又一个独立的定律,它涉及的问题不同于第一定律所涉及的范围,它是第一定律的补充.①第一定律只指出了效率η≯100%,第二定律指出的是效率η≠100%,说明功可以全部变为热,而热量不能通过一循环全部变为功,即机械能和内能是有区别的.②第一定律指出了热功等效和转换关系,指出任何过程中能量必须守恒,第二定律指出的是,并非所有能量守恒过程都能实现,低温热源的热量就不能自动地传向高温热源,揭示了过程进行的方向和条件.③第一定律没有温度的概念.第二定律中有了温度的概念,提出了在高温热源和低温热源的问题,提出了不同温差下,相同的热量的效果是不一样的,有必要加以区分.【典型热点考题】例根据热力学第二定律,下列判断正确的是( )A.电流的能不可能全部变为内能B.在火力发电机中,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,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体答案选BCD.【同步练习】1.下列所述过程是可逆的,还是不可逆的?(1)汽缸与活塞组合中装有气体,当活塞上没有外加压力,活塞与汽缸间没有摩擦时.(2)上述装置,当活塞上没有外加压力,活塞与汽缸上摩擦很大,使气体缓慢地膨胀时.(3)上述装置,没有摩擦,但调整外加压力,使气体能缓慢地膨胀时.(4)在一绝热容器内盛有液体,不停地搅动它,使它温度升高.(5)一传热的容器内盛有液体,容器放在一恒温的大水池内,液体不停地搅动,可保持温度不变.(6)在一绝热容器内,不同种类的液体进行混合.(7)在一绝热容器内,不同温度的氦气进行混合.2.根据热力学第二定律判别下面的两种说法是否正确.(1)功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功.(2)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.3.第二类永动机不可以制成,是因为( )A.违背了能量的守恒定律B.热量总是从高温物体传递到低温物体C.机械能不能全部转变为内能D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化4.第二类永动机不可能制成,表示能和能的转化过程具有性.【生活实际运用】分析电冰箱的工作原理,说明它并不违反热力学第二定律.参考答案:【同步练习】1.(1)发生自由膨胀,则是不可逆过程.(2)有摩擦发生,也是不可逆过程.(3)是准静态无摩擦的膨胀,则为可逆过程.(4)这是由功变为热,是不可逆过程.(5)此过程中既有“功变热”又有“热传导”,也是不可逆过程.(6)液体的扩散是不可逆过程.(7)有一定温度差的热传导也是不可逆过程.2.两种说法均不正确.3.D4.机械内方向【生活实际运用】电冰箱内部的温度比外部低,但是致冷系统还能不断地把箱内的热量传给外界的空气,这是因为电冰箱消耗了电能,对致冷系统做了功.这个过程不是自发进行的,它引起了其他变化,即消耗了电源的电能,因此它不违反热力学第二定律。
【教材分析】本节介绍热力学第二定律,该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础,热力学第一定律对自然过程没有任何限制,只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失,热力学第二定律解决哪些过程可以发生,教学时要注意讲清二者的关系。
对于热力学第二定律,教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手,研究与分子热运动有关的过程的方向性问题,以期引起学生思维的深化,也作为学习热力学第二定律的基础。
教材介绍了热力学第二定律的两种表述:一种是按照热传导过程的方向性表示,另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述,这两种表述都表明:自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,教学时,要注意说明这两种不同表述的内在联系,讲清这两种表述的物理实质。
第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机,由于在自然界中把热转化为功时,不可避免地把一部分热传递给低温的环境,所以第二类永动机不可能制成。
【设计思想】1.从实际问题导入,从简单的实验开始,尽可能引导学生联系自己熟悉的,身边的生活现象的实例,在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际,体现《标准》倡导的“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念。
2.积极创设情景,开展师生、生生间的对话交流,开展小组合作讨论学习,使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位,让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识,向学生学习活动要效益,体现以学生为中心的原则。
3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证,是在大量实验事实的基础上总结出来,内容的表述比较抽象和难以理解,教师要引导学生对关键词的作深刻地理解,要引导学生多运用实例来辅助理解。
4.夯实知识基础,灵活运用技能是三维教学目标中第一要素,本节课除了使用教材中“问题与练习”外,还设计了四道练习题,在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用,帮助学生更好理解定律。
《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。
【教学目标】一、知识与技能1.了解热传递过程的方向性。
第十四章气体一.气体的状态参量。
所谓状态参量是表征系统宏观性质或状态的量。
在这一章中,选取体积、温度、压强这三个状态量,它们可以确定地描述一定质量的某种气体的状态(此气体应处于热平衡状态)。
1.体积。
符号:V 单位:m3(立方米)2.温度。
符号:T 单位:K (开)是七个基本单位之一。
开尔文曾在热力学第二定律的基础上引入一种温标,叫热力学温标。
1990年国际温标规定以热力学温标为基本温标。
(相关内容可参见由黄淑清、聂宜如、申先甲编著的《热学教程》,高等教育出版社1994年第二版第一章温度)摄氏度与热力学温标的关系:t=T-273.15k(如:水的三相点热力学温标为273.16K,换算到摄氏度为0.01℃。
)3.压强。
符号:p 单位:p a(帕)当气体的状态确定时,在气体内部各个方向上,气体的压强都相等。
二.气体压强数值的确定方法。
1.被一段液体封闭的气体压强的确定。
书P36-例题1。
乙图对此道问题,我们看到,当达到稳定状态之后,对于液体下表面,受到的力为:液体向下的压力、封闭的气体向下的压力、大气向上的压力。
它们三者大小的关系为:F大气=F B+F液。
因为三者作用面积是相等的,同时除以=p B-p液。
所以被封闭气体的压强p B=p0-p液=p0-ghρ。
Example2:书P37)此题的分析方法与上题类似,我们可以从压强直接入手。
当达到稳定状态时,对于液体的下表面,向下的压强为大气压强p0和液体产生的压强ghρ(此处的h为竖直高度,h=l·sin30°),向上的压强为封闭气体的压强p A。
所以有:p A=p0+030sinlg⋅ρ=1.0×105+13.6×103×10×0.1×0.5h=1.068×105(pa ) (1)1.0×105pa (3)9.32×104pa Example3:书P37-练习一2(3)如左图所示,对于与封闭气体接触p A ,向上的压强为液面差产生p 液和大气压p 0,当达到稳定p A =p 液+p 0=gh +p 0=13.6×103×10×0.1+1.0×105 =1.136×105(pa )5paExample4:练习册P7-4(实验)大气压强约为76cm 汞柱,所以试管顶端所受压强应6cm 汞柱(8000pa ),如果顶部突然破裂,水银柱10cm 后,水银柱高度为76cm 。