一、1．了解熱傳導(dǎo)過程的方向性。2．了解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及這兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。3．了解什么是能量耗散，知道能源是有限的。二、培養(yǎng)學(xué)生通過日常生活現(xiàn)象概括物理規(guī)律的能力。三、情感、通過熱力學(xué)第二定律的教學(xué)，教育學(xué)生要有效地利用自然界提供的各種能源，必須遵循自然界的規(guī)律。熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述，以及兩種表述的物理實(shí)質(zhì)。一、教師：地球上海水的總質(zhì)量約為1.4×1018t，當(dāng)海水的溫度降低0.1℃，放出多少焦的熱量？假設(shè)每個(gè)核電站的功率為100萬千瓦，則這些熱量相當(dāng)于多少個(gè)這樣的電站一年的發(fā)電量？得到：這些海水的溫度降低0.1℃，能放出5.8×1023J的熱量，這相當(dāng)于1800萬個(gè)功率為100萬千瓦的核電站一年的發(fā)電量。教師：既然海水能放出這么多的能量，為什么人們不去研究這種新能源呢？原來這樣做是不可能的，這涉及到物理學(xué)的一個(gè)基本定律，這就是本節(jié)要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第二定律。二、［問］兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？［學(xué)生］兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)，熱量將從高溫物體傳給低溫物體，使高溫物體溫度降低，低溫物體溫度升高。在上述過程中，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞至低溫物體，這里的“自發(fā)地”意味著沒有任何外部干預(yù)或輔助。［問］那么，同學(xué)們見過熱量從低溫物體傳給高溫物體的實(shí)例嗎？［學(xué)生］電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體。電冰箱通過消耗電能，將熱量從低溫物體傳遞至高溫環(huán)境。一旦電源中斷，電冰箱無法繼續(xù)轉(zhuǎn)移內(nèi)部熱量至外界空氣，相反，外界熱量會(huì)自發(fā)進(jìn)入冰箱，導(dǎo)致其溫度逐漸上升?？偨Y(jié)：實(shí)例表明，熱傳導(dǎo)具有方向性，可自發(fā)地向一個(gè)方向進(jìn)行，但逆向過程則不能自發(fā)發(fā)生，需通過外力實(shí)現(xiàn)。必須借助外界的幫助，因而要產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。思考：均勻混合的空氣與溴氣過一段時(shí)間會(huì)不會(huì)自發(fā)地變的界線分明？說明：一個(gè)在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，由于克服摩擦力做功，最后要停下來。在這個(gè)過程中，物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，使物體和地面的溫度升高。我們能不能看到這樣的現(xiàn)象：一個(gè)放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來。有人設(shè)想發(fā)明一種熱機(jī)，利用其吸收物體與地面摩擦產(chǎn)生的熱量，并將內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使因摩擦停止的物體重新運(yùn)動(dòng)，而不引發(fā)其他變化。分析一下，可以做到嗎？上述現(xiàn)象的共同特征：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律的一種表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這是德國物理學(xué)家克勞修斯提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。它闡述了熱傳導(dǎo)的方向性。說明：（1）在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。（2）熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會(huì)引起其它變化，比如冷機(jī)做功。［問］一個(gè)在水平地面上運(yùn)動(dòng)的物體，撤去外力作用后，為什么會(huì)停下來？在這個(gè)過程中，能量是如何轉(zhuǎn)化的？在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體，撤去外力后，因摩擦力做功而減速直至停止；此過程中，物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。［教師］現(xiàn)在，我們假想：設(shè)計(jì)一種熱機(jī)，旨在收集物體與地面摩擦產(chǎn)生的熱量，并將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而使因摩擦而停止的物體重新運(yùn)動(dòng)，而不引發(fā)其他變化。這是否可行？［教師總結(jié)］我們得到：實(shí)際上，熱機(jī)無法完全將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)槠溥\(yùn)作需依賴熱源和冷凝器。在工作過程中，熱機(jī)必然向冷凝器釋放熱量，導(dǎo)致一部分能量Q通過工作物質(zhì)帶走。即便是在理想條件下，無摩擦、無泄漏等能量損耗，熱機(jī)也無法實(shí)現(xiàn)100%的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，總有一部分熱量會(huì)散發(fā)至冷凝器。［教師］人們把從單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功而不引起其他變化的熱機(jī)叫第二類永動(dòng)機(jī)。第二類永動(dòng)機(jī)雖不違背守恒定律，但是也失敗了。第二類永動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闄C(jī)械能與內(nèi)能在轉(zhuǎn)化過程中具有方向性。具體而言，機(jī)械能可完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能完全逆向轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，且不引發(fā)其他變化。熱力學(xué)第二定律的另一種表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。這是開爾文提出的，稱為熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。它闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。說明：（1）不僅要從一個(gè)熱庫吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫放熱。（2）機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但這個(gè)過程是不可逆的。教師：強(qiáng)調(diào)指出，熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的。3．熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系。熱力學(xué)第一定律和第二定律都自然界中獨(dú)立的定律，熱力學(xué)第二定律是第一定律的補(bǔ)充。第一定律表明效率η不超過100%，而第二定律指出η不等于100%，揭示了功可完全轉(zhuǎn)化為熱，但熱量無法通過循環(huán)完全轉(zhuǎn)化為功，從而強(qiáng)調(diào)機(jī)械能與內(nèi)能在本質(zhì)上存在差異。（2）第一定律指出了熱功等效和轉(zhuǎn)換關(guān)系，指出任何過程能量必須守恒。第二定律指出的是：并非所有能量守恒過程都能實(shí)現(xiàn)，低溫?zé)嵩吹臒崃烤筒荒茏詣?dòng)地傳向高溫?zé)嵩?，揭示了過程進(jìn)行的方向和條件。（3）第一定律不涉及溫度概念，而第二定律引入了溫度的概念，探討了高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g的差異，并指出不同溫度差下，相同熱量的效果各異，需加以區(qū)分。能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。在各種各樣的活動(dòng)中，機(jī)械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能……最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中。學(xué)生舉例說明。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)下降了。雖然能量總量不會(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。例如，一個(gè)容器被隔板均分為A、B兩部分，一定量的氣體處于容器A中，而B為真空。抽取隔板K，A中的氣體就會(huì)擴(kuò)散到B中，最后整個(gè)容器的A、B兩部分都均勻地分布了這種氣體。這個(gè)過程顯然是不可逆的。1850年，克勞修斯首次闡述了熵的概念，熵用于衡量系統(tǒng)無序程度，反映系統(tǒng)從有序向無序演進(jìn)時(shí)熵值的增加。在物理學(xué)中，不與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)叫作孤立系統(tǒng)。在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的，這就是熵增加原理。1．下列說法正確的是（答案：2．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的（答案：3．下列說法正確的是